高性能S、C波段声表面波微波延迟线

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                1  引言

                         随着晶片材料和半导体工艺技术水平的快速发展，本文作者通过扇型结构声表面波换能器的拓扑设计，晶片材料和制作工艺流程的优化设计，研制出S、C波段声表面波（SAW）微波延迟线，它比声体波（BAW）微波延迟线的结构、生产工艺流程更加简单，体积更小，延时精准度高、一致性好、可靠性高，更适合量产。可广泛应用于雷达、电子对抗、高度计、通信、引信、信号处理器、目标模拟、微波信号存储和鉴频等系统中。在空间设备中应用具有强抗辐照能力。
                          
                        2  SAW微波延迟线基本工作原理

                         SAW微波延迟线的基本结构，如图1所示，它由压电晶片、输入/输出叉指换能器（IDT）、金属屏蔽条和反射吸声层组成。其工作原理是当电信号加载到输入换能器后, 利用逆压电效应将电信号转换成声信号并以声的速度（比电磁信号慢105）沿晶片表面传播一段距离，经输出换能器接收，利用压电效应把声信号还原成电信号，形成电信号的延迟。显然改变两个换能器间的相对距离，就可得到不同延迟时间的电信号，金属屏蔽栅条用于输入/输出换能器间的电磁屏蔽，吸声层用于吸收声波反射。
                          
       

               

       

                图1  SAW微波延迟线的基本结构示意图

                          
                        3  SAW微波延迟线的研制

                        3.1  扇形拓扑IDT结构设计

                         SAW延迟线要实现微波频段的工作频率、宽的工作带宽、高的三次渡越抑制、低的插入损耗和小的带内波动, 关键是IDT设计。根据工程项目的应用要求，同时考虑到温度（-55℃～＋85℃）变化可能引起的漂移，以及工艺过程可能带来的误差，我们建立了一种扇形拓扑IDT的理论模型，经仿真优化确定了IDT拓扑设计新结构，从研制出的几种SAW微波延迟线试验结果和最终产品测试结果证明，这种新结构设计完全实现了项目要求的S、C波段工作频率，宽的工作带宽（200～500MHz），延时时间（0.05～3us），三次渡越抑制（40dB～55dB）和直通抑制（30dB～45dB）等指标要求。
                          
                        3.2  晶片材料选择（2～4英寸圆晶片）

                         由于表面声波是沿晶片表面传播，所以在晶片材料的选择上对其表面状态的要求很高。对工作在微波频段的SAW器件来讲，在工艺制作过程中晶片材料的透光性可导致晶片背面形成漫散射，从而降低光刻衬度，导致失真的线宽，至使工作频率、带宽等性能产生偏差，同时IDT的指间隔非常小（1/4λ），很容易受到静电释放影响，导致IDT的烧毁。为此我们选用了具有弱热释电效应的2～4英寸标准晶片见图2，有效解决了静电释放导致IDT烧毁和晶片开裂现象，同时光的漫散射也得到了有效抑制，成品率大幅提高。
                          
       

               

       

                图2  4英寸圆晶片

                 
                        3.3  电磁屏蔽设计

                         电磁屏蔽是SAW微波延迟线设计的另一个难点。从图1的结构看出，输入与输出换能器是在同一个水平面上。声表面波器件是通过电-声、声-电变换的声波传播来实现电信号传输的，但电信号也可不经过电-声、声-电变换而直接从输入IDT偶合到输出IDT，尤其工作在微波频段和要求延迟时间很短时，这种影响就更严重。为有效抑制IDT间的电磁辐射，我们通过优化输入输出IDT的结构，采用倾斜式金属屏蔽栅条和隔板凹槽双腔体隔离的封装设计见图3、图4，有效抑制了输入/输出端电磁辐射，提高了SAW微波延迟线产品对直通信号抑制能力。
                          
       

               

       

                图3  2.7GHz声表面波微波延迟线封装结构

       

               

       

                图4  4.3GHz声表面波微波延迟线2种封装结构

                          
                        3.4  制作工艺流程

                         SAW微波延迟线的生产过程是采用标准、成熟、通用的半导体平面工艺及流程如图5所示，它只需1个工艺流程就可实现多芯片批生产，工艺过程稳定、可靠、重复性好、适于批量生产。
                          
       

               

       

                图5  SAW微波延迟线加工工艺流程图

                          
                        4  结果与讨论

                         我们按工程项目要求研制出4种中心频率分别为1.5GHz，2.7GHz，2.85GHz，4.3GHz的SAW微波延迟线，主要性能分别如下。
                 
                        4．1  1.5GHz SAW微波延迟线

                         主要实测技术指标见表1，频域响应见图6，时域响应见图7。
                          
       

                表1  1.5GHz SAW微波延迟线实测指标

       

项目	实测技术指标
工作频率范围/GHz	1.25～1.75
带 宽/MHz	500
延迟时间/us	0.498
插入损耗/dB	≤26（无匹配）
	≤35（含温补衰减）
三次渡越抑制/dB	≥54
直通抑制/dB	≥45

       

               

       

                图6  1.5GHz SAW微波延迟线频域响应

       

               

       

                图7  1.5GHz SAW微波延迟线时域响应

                          
                        4.22  7GHz SAW微波延迟线

                         主要实测技术指标见表2，频域响应见图8，时域响应见图9。
                          
       

                表2  2.7GHz SAW微波延迟线实测指标

       

项目	实测技术指标
工作频率范围/GHz	2.6～2.8
带 宽/MHz	200
延迟时间/us	0．05
插入损耗/dB	≤22（无匹配）
三次渡越抑制/dB	≥31
直通抑制/dB	≥40

       

               

       

                图8  2.7GHz SAW微波延迟线频域响应

       

               

       

                图9 2.7  GHz SAW微波延迟线时域响应

                 
                        4.32  85GHz SAW微波延迟线

                         主要实测技术指标见表3，频域响应见图10，时域响应见图11。
                          
       

                表3  2.85GHz SAW微波延迟线实测指标

       

项目	实测技术指标
工作频率范围/GHz	2.7～3.0
带 宽/MHz	300
延迟时间/us	3
插入损耗/dB	≤60（无匹配）
三次渡越抑制/dB	≥50
直通抑制/dB	≥40

       

               

       

                图10  2.85GHz SAW微波延迟线频域响应

       

               

       

                图11  2.85 GHz SAW微波延迟线频域响应

                          
                        4.3  4.3GHz SAW微波延迟线

                         主要实测技术指标见表4，频域响应见图12，时域响应见图13。
                          
       

                表4  4.3GHz SAW微波延迟线实测指标

       

项目	实测技术指标
工作频率范围/GHz	4.2～4.4
带 宽/MHz	200
延迟时间/us	0.355
插入损耗/dB	≤45（无匹配）
	≤60（含温补衰减）
三次渡越抑制/dB	≥45
直通抑制/dB	≥30

       

               

       

                图12   4.3 GHz SAW微波延迟线时域响应

       

               

       

                图13  4.3 GHz SAW微波延迟线时域响应

                          
                         目前国内还没有工作中心频率在1.5～4.3GHz间SAW微波延迟线的研制报道，中科院声学研究所率先研制成功，其中2.7GHz、2.85GHz和4.3GHz的SAW微波延迟线，在国内外均未查到相关报道，属国际首创。
                 
                         与国内外相近技术指标的声体波（BAW）延迟线相比，关键的三次渡越抑制性能，SAW微波延迟线高于BAW微波延迟线17～27dB，为国际领先水平。见表5。
                          
       

                表5  SAW延迟线与BAW延迟线指标对比

       

指标	Teledyne                                                                                          BAW		国内BAW	声学所SAW
工作频率                                                                                          范围/GHz	4.2～4.4		4.2～4.4	4.2～4.4
带宽/MHz	200		200	200
延迟时间us	0.330	0.345	0.358	0.355
三次渡越                                                                                          抑制/dB	20	18	28	45

                         

                        4  结束语

                         本文介绍的SAW微波延迟线还具有以下优势。
                         1）SAW微波延迟线是用标准的2～4英寸圆晶片制作，每个晶片上可排列几十至几百个芯片图形，经过1个工艺流程即可完成几十至几百芯片的制作。而不像BAW延迟线需要在圆棒晶体的两个端面经过4～6工艺流程、逐个调试修正完成制作，可见SAW微波延迟线产品的一致性、可靠性、延时精准性和批量生产能力等方面有着明显优势。
                          
                         2）芯片装配结构，SAW延迟线为片状，易于表面贴装，结构可靠性高。BAW延迟线是圆柱状安装结构复杂。
                          
                         3）表声波比体声波的传播速度慢1.5倍左右，因此SAW延迟线的体积和重量比BAW延迟线更小，易于小型化。
                          
                         4）经批量试生产验证，SAW微波延迟线批次产品的延迟时间的不一致性＜±0.05ns，插入损耗的不一致性＜±0.5dB，BAW微波延迟线是很难做到的。  
                          
                         本系列产品按工程项目要求，均一次通过了可靠性试验，证明了本系列产品具有高可靠性和很好的环境适应性，在雷达、高度表、电子对抗等领域有着广泛应用前景。