聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由壓電材料制成的基片及燒制在其上面的梳狀電極所構(gòu)成。當(dāng)給聲表面波濾波器輸大端輸入信號后，在電極司壓電材料表面將產(chǎn)生與外加信號頻率相同的機械振動波。該振動波以聲波速度在壓電基片表面?zhèn)鞑?，?dāng)該波傳至輸出端時，由輸出端梳狀電極構(gòu)成的換能器將聲能轉(zhuǎn)換成交變電信號輸出。

　　圖1 聲表面波濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

　　從上面介紹不難看出，聲表面波濾波器是由兩個換能器組成的，輸入端換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)出聲表面波，而輸出端換能器則是將接收到的聲表面波聲能轉(zhuǎn)換成電能輸出。聲表面波濾波器就是利用壓電基片上的這兩個換能器來產(chǎn)生聲表面波和檢出聲表面波的，以完成濾波的作用。

　　聲表面波濾波器具有以下特點:

　?、龠x擇性好。選擇性一般可達140dB左右，可確保圖像的清晰度。

　　②頻帶寬，動態(tài)范圍大，且中心頻率不受信號強度的影響，能確保圖像、彩電、聲音的正常傳輸，不相互干擾。

　?、坌阅芊€(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強，不易老化。

　?、苁褂梅奖悖b配時只需插入和焊接即可，無需調(diào)節(jié)。

　?、莶迦霌p耗較大，使用時需在前級加寬頻帶放大器，以補償插入損耗。

　　聲表面波濾波器匹配的目的是：

　?。?）取得小的駐波系數(shù)。特別是高損耗 聲表面波濾波器，其駐波系數(shù)一般在 5~10，匹配后可以改善到2~5。對于低損耗 聲表面波濾波器通過匹配可以使駐波系數(shù)達到 1.2~2。

　?。?）取得小的損耗。對于損耗在 30~40dB 的高損耗 聲表面波濾波器通過匹配可以得到 20~25dB 的損耗。

　　而對于 SPUDT 的濾波器，要求必須匹配才能得到小的損耗。

　?。?）取得平坦的通帶特性。對于大帶寬 聲表面波濾波器、TCRF濾波器、SPUDT 濾波器等如果不匹配，通帶波紋很大，匹配后不但損耗降低，而且可以得到平坦的通帶特性。

　　（4）LC 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計得當(dāng)，可以起到 LC 濾波器的作用，提高遠端帶外抑制。

　　聲表面波濾波器的匹配不同于其他濾波器的匹配，針對不同結(jié)構(gòu)的 聲表面波濾波器其匹配目標(biāo)不同。對于高損耗 聲表面波濾波器并不需要與外部電路完全的共軛理想匹配，因為在較大的聲輻射條件下，改進理想匹配雖然可以實現(xiàn)低損耗，但卻是以增加幅度和相位波動為代價的。這些器件通常有意使器件在一定程度上失配。對于中等損耗的 SPUDT 濾波器，其匹配也不完全是理想電匹配。對于 1~4dB 的低損耗 聲表面波濾波器則要求盡量理想電匹配以取得最小損耗。

　　實際 聲表面波濾波器匹配時需要注意的問題：

　　(1)? 評估板和系統(tǒng)板上的匹配元件值有些差異，其原因是分布參數(shù)不同，需要微調(diào)元件值。

　　(2)? 高損耗濾波器通常要求失配，以得到好的通帶特性。

　　(3)? 低損耗濾波器通常要求最佳匹配，以得到小的損耗和駐波系數(shù)（SWR）。

　　(4)? 損耗越小的濾波器對匹配元件值越敏感

　　在許多使用場合，要求濾波器為殘余邊帶濾波器，即要求濾波器不僅具有良好的幅頻特性，如低的矩形系數(shù)，高的帶外抑制，同時要求該濾波器具有良好的相位特性，如要求群延時波動小于±25ns，相位波動小于2°。雖然從理論上講，聲表面波器件較之其他類型的器件容易實現(xiàn)上述指標(biāo)，但常規(guī)設(shè)計方法是難以達到上述要求的，必須進行特殊設(shè)計。

　　在以往的設(shè)計中，作者采用最普通窗函數(shù)加權(quán)對濾波器進行設(shè)計，往往是指條數(shù)較多，指間反射等二次效應(yīng)比較嚴重，存在著設(shè)計缺陷。在實踐中作者借鑒數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，采用REMEZ交換算法進行設(shè)計。該方法具有設(shè)計靈活，容易調(diào)整的特點，對于同等性能的濾波器，可以以最少的指條數(shù)來實現(xiàn)，獲得了較好的效果。

　　1理論分析

　　1.1REMEZ交換算法

　　REMEZ交換算法是由Meclellan等人提出的用于線性相移FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)化設(shè)計方法，該方法被移植在聲表面波濾波器的設(shè)計中，已為國內(nèi)外工程技術(shù)人員普遍采用。所謂最佳設(shè)計，是指在指對數(shù)相同的條件下，REMEZ交換算法所設(shè)計的濾波器性能最好;對于相同的性能，REMEZ交換算法所設(shè)計的濾波器指對數(shù)最少。其原理就是濾波器的通帶與阻帶都采用加權(quán)的切比雪夫逼近來構(gòu)造濾波器的幅頻特性，進而得到與該幅頻特相對應(yīng)的脈沖響應(yīng)的一種算法。

　　在進行逼進過程中，采用REMEZ交換算法進行。REMEZ交換算法是一種通過尋找最佳的極值頻率來求解切比雪夫逼近問題的算法，只要根據(jù)交錯定理，并利用REMEZ交換算法，解出一組滿足切比雪夫逼近公式的極值頻率，進而進一步推算出多項式的糸數(shù)，也就完成了逼近問題。

　　1.2頻響函數(shù)的精確調(diào)整[3]

　　為了精確地設(shè)計濾波器的通帶特性，必須對最初設(shè)計濾波器的頻響特性進行調(diào)整，以滿足通帶波動，過渡帶寬以及帶外抑制等諸多指標(biāo)要求，為此采用了一組不同幅度和極性，不同頻率的窄帶校正函數(shù)加到最初的設(shè)計中去。

　　設(shè)M個校正函數(shù)的頻響之和為G(f)，則有:

　　按式(2)在時域上時行抽樣，抽樣間隔為1/4f0，這樣，相當(dāng)于每根指上都進行了抽樣，將抽樣值與原設(shè)計中的每根指的長度進行疊加，這樣就得到了每根指的加權(quán)長度。為了適應(yīng)各種通帶畸變的修正要求，根據(jù)上述理論分析，作者采用了3種修正模型。

　　(1)為了修正通帶內(nèi)的連續(xù)波紋，采用了一個余弦函數(shù)來抵消通帶的波動，窄帶函數(shù)的樣本值的大小取決于余弦函數(shù)值，設(shè)P1為余弦函數(shù)波動幅度，則修正函數(shù)為:

　　式中M的選取視帶寬的寬窄，一般取30~50為宜，B1為波紋周期。

　　(2)為了修正通帶的的拋物線畸變，采用一個極性相反的拋物線函數(shù)進行修正，設(shè)P2為拋物線修正幅度，則修正函數(shù)為:

　　以上3種修正可以分別進行修正，可以組合起來進行修正，以Am(f)表示組合修正函數(shù)，則:

　　Am(f)=H1(f)+H2(f)+H3(f)　　　　(6)

　　分別將式(3)~(5)式代入式(6)即可得到一個精確修正的函數(shù)表達式，式中P1，P2，P3，可以根據(jù)實際情況靈活給出，可正也可負，負數(shù)表示修正方向相反。3種修正模型相互配合，基可以滿足對不同形狀的通帶的修正需要。如果在個別頻率點仍感到不滿意，可以對這些點進行逐點修正，直致滿意為止。

　　1.3利用叉指換能器(IDT)的幾何結(jié)構(gòu)計算頻響[3]

　　設(shè)B(J)為相鄰指條之間的重疊長度，H(f)為換能器頻響，則:

　　顯然這里是采用單指取樣的，因此，應(yīng)逐個指條進行計算。實踐證明，理論計算的結(jié)果與實測結(jié)果吻合得非常好，較之以往常用的δ-函數(shù)模型計算精度更高，而且這種模型可根椐不同的叉指結(jié)構(gòu)形式，計算出不同的結(jié)果，而δ-函數(shù)模型則難以精確計算不同叉指結(jié)構(gòu)的換能器的頻響。

　　2實驗結(jié)果

　　作者用上述方法設(shè)計了一種殘余邊帶濾波器，f0=70MHz，-1dB帶寬為10.2MHz，取指對數(shù)為128對，采用雙變跡加權(quán)配合一個多條耦合器結(jié)構(gòu)，多條耦合器指條數(shù)為80條。叉指換能器孔徑3.5mm，整個結(jié)構(gòu)可封裝于20*12.5mm金屬管殼中。實踐證明，在此種類型的濾波器設(shè)計中，通帶總是存在傾斜現(xiàn)象，因此在設(shè)計中預(yù)先將低頻端抬高了0.5dB，這樣兩個換能器在理論上傾斜了1dB，經(jīng)叉指換能器幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，濾波器每個換能器的帶內(nèi)波動0.16dB，帶外抑制大于45dB，整個濾波器理論波動小于0.4dB，帶外抑制大于65dB，群延時波動≤±25ns，經(jīng)工藝制作，得到一個帶內(nèi)波動小于±0.4dB，帶外抑制≥50dB，矩形糸數(shù)≤1.14的濾波器，滿足了實際使用要求。圖1給出了設(shè)計的頻響特性。

　　3結(jié)論

　　在聲表面波濾波器的設(shè)計中，采用REMEZ交換算法，可以顯著地改善濾波器的特性，利用IDT的幾何結(jié)構(gòu)計算頻響，具有很高的計算精度，更接近實際情況，再加上REMEZ交換算法所具有的設(shè)計靈活性，因此可以設(shè)計出性能優(yōu)良的聲表面波濾波器來。作者用這種設(shè)計方法編制了完整的計算機設(shè)計程序，成功地設(shè)計了多種類型的聲表面波濾波器，使設(shè)計的一次成功率大大提高，縮短了設(shè)計研制周期，提高了效率，實踐證明是非常有效的。