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SAW Filter声表面波滤波器技术

时间:2017-06-06 15:52:54  作者:admin  来源:波器  浏览:108  评论:0
内容摘要:  声表面波(SAW)滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。SAW滤波器集低插入损耗和良好的性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。因为SAW滤波器制作在晶圆上,所以可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上...

  声表面波(SAW)滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。SAW滤波器集低插入损耗和良好的性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。因为SAW滤波器制作在晶圆上,所以可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上,且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。

  存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及“发电机”。当对这种晶体施以电压,晶体将发生机械形变,将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时,机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷,使电流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的这种转换的能量损耗极低,无论电/机还是机/电能量转换,效率都可高达99.99%。

  在固态材料中,交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内,对声波进行导限以产生极高品质因数(Q值可达数千)的驻波(standingwaves)。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。

  在一款基础SAW滤波器(图1)中,电输入信号通过间插的金属交指型换能器(IDT)转换为声波,这种IDT是在诸如石英、钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)等压电基板上形成的。在一款非常小设备内,IDT的低速特性非常适合众多波长通过。

SAW_Filter声表面波滤波器技术

  但SAW滤波器有局限性。高于约1GHz时,其选择性降低;在约2.5GHz,其使用仅限于对性能要求不高的应用。SAW器件易受温度变化的影响,是个老问题:温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。

  一种替代方法是使用温度补偿(TC-SAW)滤波器,它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。温度未补偿SAW器件的频率温度系数(TCF)通常约为-45ppm/℃,而TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层,所以,TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也更高,但仍比体声波(BAW)滤波器便宜。

  声表面波滤波器是利用石英、铌酸锂、钛酸钡晶体具有压效应的性质做成的。所谓压电效应,即是当晶体受到机械作用时,将产生与压力成正比的电场的现象。具有压电效应的晶体,在受到电信号的作用时,也会产生弹性形变而发出机械波(声波),即可把电信号转为声信号。由于这种声波只在晶体表面,故称为声表面波。 声表面波滤波器的英文缩写为SAWF .

SAW_Filter声表面波滤波器技术

  声表面波是指沿固体表面的波,且能量集中于表面。速度比电磁波的速度小五个数量级。在声表面波途中,可任意存取信号。能利用集成电技术制造声表面波器件。

  SAW filter声表面波元件主要作用原理是利用压电材料的压电特性,利用输入与输出换能器(Transducer)将电波的输入信号转换成机械能,经过处理后,再把机械能转换成电的信号,以达到过滤不必要的信号及杂讯,提升收讯品质的目标。声表滤波器和声表谐振器被广泛应用在各种无线通讯系统、电视机、录放影机及全球卫星定位系统接收器上替代LC谐振电,用于级间耦合和滤波。主要功用在於把杂讯滤掉,比传统的 LC 滤波器安装更简单、体积更小。

  声表面滤波器是利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器,它常用于电视机和机中频放大器的输入吸收回和多级调谐回。

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  1、特点:声表面滤波器技术能实现电子器件的超小型化设计灵活性高有很好的一致性、重复性及极高的温度稳定性抗辐射能力强,动态范围很大,可达100 dB

  电视机,无绳电话,手机(每只手机中有声表滤波器3-5只)CATV网络(通过CATV上网可使信息传输速度提高几十倍以上)光纤通信系统时钟恢复卫星通信及定位(GPS)系统扩频通信系统通信侦查压缩接收机 脉冲压缩雷达系统电子侦察用信道化接收机系统无钥匙进入和保密警戒系统遥测压控系统其它声表产品声表面波滤波器组。

  一款高端智能手机必须要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收径进行滤波,同时要滤波的还包括:Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收径。必须对各接收径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行。要做到这点,一款多频段智能手机需要4或6个滤波器和多个双工器。如果没有声滤波技术,这将难以实现。

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  虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用,高于1.5GHz时,BAW滤波器非常具有性能优势(图2)。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外,即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也不那么,同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边(filterskirt)。

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  不同于SAW滤波器,BAW滤波器内的声波垂直(图3)。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励,使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量(mass)决定了共振频率。在BAW滤波器大显身手的高频,其压电层的厚度必须在几微米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

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  为使声波不散漫到基板上,通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件(图4)。另一种方法,称为薄膜体声波谐振器(FBAR),它是在有源区下方蚀刻出空腔,以形成悬浮膜。

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  因这两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波,它们的损耗都非常低。在微波频率,BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高,可达:2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处,它也有极好的和插入损耗性能。

  虽然BAW和FBAR滤波器的制造成本更高,其性能优势非常适合极具挑战性的LTE频带以及PCS频带,后者的发送和接收径间只有20MHz的狭窄过渡范围。BAW和FBAR滤波器的IDT可做得足够大,以支持4W@2GHz的更高射频功率。BAW器件对静电放电有固有的高,其BAW-SMR变体具有约-17ppm/℃@2GHz的TCF。

  随着频谱拥挤导致缩窄甚至频带的趋势,对于高性能滤波器的需求显著增加。BAW技术使人们有可能设计出具有非常陡峭滤波器裙边、高性能以及温漂很小的窄带滤波器,它非常适合处理相邻频段之间非常棘手的干扰问题。TriQuint及其它滤波器制造商的工程师正在努力实现4%或更高带宽、损耗更低、TCF基本为零的BAW-SMR滤波器。

  BAW器件所需的制造工艺步骤是SAW的10倍,但因它们是在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此,BAW的成本仍高于SAW。然而,对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说,BAW是唯一可用方案。因此,BAW滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。

  在BAW-SMR滤波器底部电极下方使用的声反射器使其在FBAR面临挑战的频段拥有优化的带宽性能。反射器使用的二氧化硅还显著减少了BAW的整体温漂,该指标远好于BAW甚至FBAR所能达到的水平。由于谐振器位于结实的材料块上,其散热比FBAR好得多,后者采用一个膜,仅能通过边缘散热。这使得BAW器件可实现更高的功率密度,不久就会有可用于小蜂窝基站应用10W级器件的问世。

  SAW 是声表面波滤波器,在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面,在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号

  BAW 是体声波,采用FBAR技术,原理基本同SAW,唯一的区别是声信号在介质内部传输,故体积可以做的更小(介质的介电大于空气)。

  BAW相对来说性能可能更好一些,q值,相位噪声,体积小等,同时加工起来更难,属于超精细加工。BAW有3层,上下为金属电极,中间为压电材料,谐振在2G左右的厚度大概为(0.1um(电极),3um(压电层),0.1um(电极)),所以加工难度较大,成本目前还是较高。

  频率较高时,如3G时,一般采用BAW,而当频率在1900MHz以下时,通常采用SAW就能够满足要求。

  未来几年,SAW、TC-SAW和BAW滤波器及双工器的各种选择将成为各类无线设备更重要的组成部分。随着各类发射器的增加、更高频率内更多无线频段的分配、加之全球频谱管理依然各自为政,射频干扰将变得越来越具有挑战性。


标签:滤波器  接收机  技术  成本  陶瓷  
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