叉指对数对阶梯形叉指换能器的频响特性研究

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摘 要：阶梯形叉指换能器具有频响性能好，设计简单等特点，为了能在实际应用中对阶梯形叉指换能器进行灵活设计，首次采用改进的δ函数模型对阶梯型叉指换能器进行建模，并通过Matlab软件进行仿真分析，研究了叉指对数对阶梯形叉指换能器频响特性的影响。分析结果表明，阶梯形结构在叉指换能器中所占比例越大，叉指换能器的主峰曲线越好，旁瓣抑制程度也越好。该研究结果对高性能声表面波器件的设计研究具有很强的实用意义。

关键词：叉指对数； 叉指换能器； 阶梯形； 声表面波

中图分类号：TN722-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)20-0134-03

Study on Frequency Response Characteristic of Finger Pairs on Ladder-shaped IDT

LIU Yong1, MO Jia-qing1,2

(1. Xinjiang Truth Information Technology Co., LTD, Urumqi 830000, China；

2. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Abstract： The ladder-shaped interdigital transducer (IDT) offers many of the advantages, such as high response frequency and simple design. In order to design flexibly a ladder-shaped IDT in the practical applications, the effect of finger pairs on ladder-shaped IDT is studied for the first time, it is modeled by the improved δ function model and simulated by Matlab. The analysis shows that the main peak curve is getting better and sidelobe suppression is larger with the increase the proportion of ladder-shaped IDT in the whole IDT. Therefore, the result is significant and has practical significance in the design of high-performance surface acoustic wave (SAW) device.

Keywords： finger pairs; IDT; ladder-shaped IDT; SAW

基金项目：国家电子产业基金项目（基于无线传感网的智能气敏传感器 工信部\301号）

0 引 言

声表面波器件具有尺寸小，功能多，制备工艺成熟等特点，广泛应用于各种现代电子技术领域［1-5］。叉指换能器是声表面波器件的重要组成部分，精确设计合适的叉指换能器，对于获得不同特性的高性能声表面波器件至关重要。变迹加权是设计叉指换能器的有效方法［6-7］。δ函数模型是变迹加权叉指换能器设计与建模的常用分析模型［8-10］ ，但是由于δ函数模型计算简单，所以在复杂要求情况下精度并不高。王代强等人提出了一种改进的δ函数模型，即将一根叉指电极分为若干个小正方形作为独立波源，这种改进的δ函数模型更加适合变迹加权叉指换能器的精确计算［9］。徐希嫔等人利用这种改进的δ函数模型分析报道了一种新型变迹加权叉指换能器，即阶梯形叉指换能器结构［10］，这种阶梯形叉指换能器具有主峰曲线好，旁瓣抑制高，通带特性较高，设计简单，实用价值突出等特点。考虑到实际应用需求，徐希嫔等人指出在阶梯形结构中研究叉指对数与频响的关系是十分必要和有意义的［10］。尽管如此，目前有关叉指对数与阶梯形叉指换能器的影响研究还未见有文献报道。因此，本文在徐希嫔等人的研究基础上，采用改进的δ函数模型分析研究了叉指对数对阶梯形叉指换能器频响特性的影响。分析结果表明，阶梯形结构在叉指换能器中所占比例的不同，对叉指换能器的主峰曲线、旁瓣抑制程度等特性有明显的影响，同时该研究成果也有助于高性能声表面波器件的应用设计。

1 理论基础

δ函数模型广泛应用于叉指换能器设计，它的核心思想是将叉指换能器视为周期性独立波源的叠加［11］。传统的δ函数模型将每对叉指换能器边缘看成一个独立声波源，由于认为每根叉指电极条在边缘处存在着δ函数波源，所以中心位于xi处的第i根叉指电极对应于如下分布［11］：

ИIiδt－xi+12aiv+δt－xi－12aiv （1）И

式中：ai是叉指电极的宽度；Ii是第i根叉指电极的声源强度。

若整个叉指换能器由n条叉指构成，则整个叉指换能器对应的声源分布为：

Иh(t)=∑ni=1Iiδt－xi+12aiv+δt－xi－12aiv （2）И

根据文献［9］，δ函数代表一个点函数，而叉指换能器的结构是一个三维结构，因此用一个点来表示┮桓叉指是存在误差的。为了能有效地消除这种误差，王代强等人提出了一种改进的δ函数模型，即将一根叉指电极条分解成若干个正方形，并把这个正方形看成一个独立声波源，通过将整根叉指电极条的声波强度进行归一化处理，就可以有效避免叉指宽度、指间距等因素对声表面波器件性能的影响了［9］。假设一个变迹叉指换能器由n条不同的叉指组成，则整个叉指换能器对应的声源分布为：

2 结果与讨论

采用文献［10］的阶梯形叉指换能器结构，中心频率f0=900 MHz。在均匀叉指换能器的研究中，为了改善声表面波器件的频响特性，一般要求输入叉指换能器与输出叉指换能器的旁瓣极点重合。有研究表明，需取输入和输出叉指换能器的对数为1.5倍关系，即1/N1=1.5N2。N1，N2分别为输入和输出叉指换能器的叉指对数［11］。因此，首先研究了固定阶梯形叉指结构对数，改变整个叉指换能器的叉指对数对叉指换能器的频响影响，如图1所示。其中，阶梯形叉指结构的叉指对数均采用文献［10］中的5对结构，而输入和输出叉指换能器的总对数选取为1.5倍关系。┩1(a)表示输入和输出叉指换能器叉指对数分别为10对和15对；图1(b)表示输入和输出叉指换能器叉指对数分别为20对和30对；图1(c)表示输入和输出叉指换能器叉指对数分别为30对和45对。通过对图1(a)~(c)的比较可以看出，随着输入和输出叉指换能器的总对数的增多，主峰宽度在逐渐减少，旁瓣抑制程度也在变差，分析认为这是因为叉指换能器中总的对数越多，阶梯形结构所占比例也就越小，也就越来越趋向于均匀叉指结构，阶梯形叉指结构的良好特性也就很难表现出来。

图1 实验仿真（一）

为了验证阶梯形结构在阶梯形叉指换能器中所占比例越大，频响特性越好的结论，又进一步做了仿真实验，如图2所示。

这里固定输入和输出叉指换能器的叉指对数均为20对，阶梯形结构呈均匀递增关系。其中，图2(a)表示输入和输出叉指换能器中阶梯形叉指结构的对数均为5对，阶梯形结构占整个叉指结构的25%；图2(b)表示输入和输出叉指换能器中阶梯形叉指结构的对数均为10对，阶梯形结构占整个叉指结构的50%；图2(c)表示输入和输出叉指换能器中阶梯形叉指结构的对数均为16对，阶梯形结构占整个叉指结构的80%。

由图发现，当输入和输出叉指换能器中阶梯形叉指结构的对数均为5对时，叉指换能器已表现出较好的频响特性，这与文献［10］的研究结论一致；当阶梯形叉指对数占叉指换能器结构比例逐渐增大时，叉指换能器主峰逐渐更好，旁瓣抑制也逐渐更加明显；当阶梯形结构达到80%时，整个叉指换能器结构的主峰曲线最好，旁瓣抑制也最明显，同时更大比例的阶梯形结构也非常有利于消除叉指换能器内反射的缺点，最大程度地达到预期目标。

3 结 语

本文首次研究了叉指对数对阶梯形叉指换能器频响特性的影响。分别研究了阶梯形结构固定为5对，不同叉指总对数时叉指换能器的仿真频响，以及固定输入和输出叉指换能器的叉指对数均为20对，阶梯形结构在叉指换能器中所占不同比例的叉指换能器的仿真频响。

通过仿真实验图可以看出，阶梯形结构在阶梯形叉指换能器中所占比例越大，频响特性越好，主峰曲线越好，旁瓣抑制程度也越好。该研究结果有很强的实用意义，有助于开发出新型高性能声表面波器件。

参考文献

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