一分钟带你学习SAW声表面波滤波器

2020-03-23 管理员


SAW, Surface Acoustic Wave, 声表面波,简称声表,用这个技术做的滤波器称之为声表滤波器,即SAWF(SAW Filter)。声表面波技术的发展相当迅猛,其应用领域从最开始的军用雷达发展到现在几乎遍及整个无线电通讯,特别是移动通讯技术的高速发展,更进一步地推动了声表面波技术的发展。

 

    声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术领域,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。

 

    SAW,  Surface Acoustic Wave, 声表面波,简称声表,用这个技术做的滤波器称之为声表滤波器,即SAWF(SAW Filter)

 

    声表面波技术的发展相当迅猛,其应用领域从最开始的军用雷达发展到现在几乎遍及整个无线电通讯,特别是移动通讯技术的高速发展,更进一步地推动了声表面波技术的发展。

 

    声表面波滤波器(SAWF)是利用压电陶瓷、钛酸钡晶体、铌酸锂、石英等,具有压电效应的材料制成,是利用压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器。

 

    当晶体受到机械作用时,产生与压力成正比的电场现象。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声波,就可以把电信号转换成声信号。

 

    这种声波只在晶体表面传播,因此称之为声表面波。

 

 

 

SAW滤波器主要参数及定义

 

  封装:LCCC(无引线陶瓷芯片载体)表面贴装的形式(体积最小的产品仅为2.5*2mm,重约22mg。)

 

  中心频率: 给定相对插入损耗(比如 –3dB)电平的两个截止频率值的算术平均值。

 

  通带宽度(带宽): 给定相对插入损耗电平的两个截止频率间的频率间隔。

 

  通带波纹: 指通带内规定频域的最大损耗之间的差值。对于声表面波滤波器,还给出了一个通带波纹的概念,定义为平顶通带内最大的两个相邻峰和谷之间的损耗差值。

 

  阻带抑制: 在给定频带内器件的最大电平抑制能力。

 

  矩形系数: 指两个规定的损耗值所确定的频带宽度之比,未特别指明时,可用40dB带宽与3dB带宽之比来量度。

 

  群时延:在规定通带范围内,群延时的最大差值。

 

  插入损耗: 在指定频段内(通带)所带来的电平降低值,通常以dB或者dBc表示。

 

    早期SAW滤波器的插入损耗较大,一般在15dB以上,这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。为满足现代通信系统以及其它用途的要求,人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计,使器件的插入损耗降低到3~4dB,最低可达1dB。

 

 当压电基材选定之后,SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽度所决定,IDT电极条愈窄,频率愈高。采用半导体0.35~0.42μm级的精细加工工艺,可制作出2~3GHz的SAW滤波器。

 

某920MHz频带的SAW滤波器参数表

 

 

SAW滤波器特性

 

 

  1、性能稳定:可靠性高,抗干扰能力强,不易老化。

 

  2、使用方便:装配时只需插入和焊接即可,无需调节等其他操作。

 

  3、选择性好:选择性一般可以达到140dB左右,可确保图像的清晰度。

 

  4、频带宽:动态范围大,并且中心频率不受信号强度的影响,能确保图像、彩电、声音的正常传输,不会相互干扰。

 

  5、插入损耗较大:使用时需在前级加宽频带放大器,以补偿插入损耗。

 

  SAW声表滤波器的特性,正适应了现代通信系统设备以及移动通讯轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。

 

  但是SAW声表滤波器也有其不足之处:所需基片材料价格昂贵,另外对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高,受到基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严的影响。

 

 

SAW滤波器内部结构

 

  SAW滤波器内部结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器-叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT),分别用作发射换能器和接收换能器。

 

表面波滤波器内部结构示意图及符号如上图所示。

 

    它是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片,经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜,通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极,分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。

 

    当输入叉指换能器接上交流电压信号时,压电晶体基片的表面就产生振动,并激发出与外加信号同频率的声波,此声波主要没着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播,故称为声表面波。

 

    其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收,别一方向的声波则传送到输出叉指换能器,被转换为电信号输出。

 

  在声表面波滤波器中,信号先后经过电-声和声-电的两次转换,由于基片的压电效应,则叉指换能器具有选频特性。

 

    显然,两个叉指换能器的共同作用,使声表面波滤波器的选频特性较为理想。下图为声表面波滤波器的幅频特性。

 

 

原文转载自:5G滤波器天线等通信设备无源器件