Communication 版 (精华区)

发信人: horsewoods (DreamCatcher), 信区: Communication
标  题: SAW 滤波器
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Sat Oct  8 13:34:49 2005)

                               选 型 指 导
    概论:
    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。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，特别是最近几年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。

    SAW 滤波器的主要特点是：设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选
择特性优良（可选频率范围10MHz～3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干
扰（EMI）性能好、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻，而且还能实现多种复杂的功能
。SAW 滤波器的特征和优点，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。其不足之处是：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。
    
     1 声表面波基本理论
    “声表面波”（SAW）是沿物体表面传播的一种弹性波。 1885 年，瑞利(Rayleigh)根
据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。1965 年，怀特
（R.M.White）和沃尔特默（F.W.Voltmer）发明了“叉指换能器”（IDT），从而取得了声
表面波滤波器技术的关键性突破。
    声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）就是在压电基片材料表面产生并传播、且其
振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。SAW 滤波器的基本结构是在具有压
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（IDT）。它采用半导体集
成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，再把设计好的两个IDT 的掩膜
图案，利用光刻方法沉积在基片表面，分别用作输入换能器和输出换能器。其工作原理是
：输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变
成电信号输出。

    2、声表面波（SAW）器件的应用
    SAW 滤波器在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂
波干扰等方面起到了良好的作用，可以实现所需任意精度的幅频特性和相频特性的滤波，
这是其它的滤波器所难以完成的。 另外由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，
使得声表面波器件（SAW）的使用上限频率提高到2.5～3GHz，从而更加促进SAW 滤波器在
抗EMI 领域获得广泛的应用。
    SAW 滤波器以极陡的过度带使CATV 的邻频传输得以实现，与隔频传输相比，频谱利用
率提高了一倍。电视接收机如果不采用SAW 滤波器，不可能工作得这么稳定可靠。事实上
，早期SAW滤波器的主要应用领域即是以电视机为代表的视听类家电产品，进入80 年代末
之后，由于电子信息特别是通信产业的高速发展，为SAW 滤波器提供了一个广阔的市场空
间，致使其产量和需求呈直线上升趋势。目前世界声表面波（SAW）滤波器的年产量在6亿
只以上。
    移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RX）必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，
由于其工作频段一般在800MHz～2GHz、带宽为17～30MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻
带抑制和高镜像衰减、承受功率大、低成本、小型化等特点。由于在工作频段、体积和性
能价格比等方面的优势，SAW 滤波器在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤
波器和单片晶体滤波器所望尘莫及的。
    在无线寻呼系统中，BP 机接收到的RF 信号需先滤波后再进行放大，滤波器的电气特
性直接影响到接收信号的灵敏度和精确度。早期生产的BP 机一般采用LC 滤波器，由于LC
 滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此现已逐渐被SAW 滤波器所取代。
    随着Internet 的迅猛发展，全球上网的用户愈来愈多，但目前通过电话上网的最大缺
点是带宽太窄（几十千频），下载速度极慢，而CATV 的网络频率资源丰富，不少商家因而
均在开发基于CATV 网的宽带多媒体数据广播系统（如VOD 等），通过CATV上网可使信息传
输速度提高几十倍以上，在这些系统中都要用到高性能的SAW 滤波器来解决邻频抑制问题
。可见，SAW 滤波器的市场前景十分可观。
    声表面波（SAW）器件具有工作频段宽（10MHz—3GHz），信息容量大，时带积大（可
达104 以上），频响特性好，勿需调整，一致性好，体积小，重量轻，可靠性高等特点，
自1965 年第一个声表面波器件制作出来以来，得到了广泛的应用和迅速的发展，其应用领
域从最开始的军用雷达，发展到现在的几乎覆盖了整个无线电通讯领域。
    
    主要应用领域包括：
    1、 声表面波谐振器可用于汽车无钥匙插入系统、run-flat tire系统、自动门开关、
个人及家庭安全、销售点的无线终端、条码阅读器、身份证标签、计算机外设、CATV 和V
TRS 的RF 调制器；
    2、用于光通信中时钟恢复单元；
    3、 Nyquist 声表面波滤波器（SAW）用于无线电收音机；
    4、用于CATV 系统的VSB 声表面波滤波器；
    5、用于移动通讯系统（GSM、DCS、DECT、CDMA、AMPS）的前、末端和中频滤波的低损
耗声表面波滤波器；
    6、 用于无线本地环路的声表面波滤波器；
    7、 用于卫星通信系统和微波传输系统的声表面波滤波器；
    8、 声表面波滤波器用于电视机的中频滤波；
    9、 用于Pager 的低损耗声表面波滤波器；
    10、用于无绳电话的声表面波滤波器；
    11、用于BB 机的声表面波滤波器。

    3、声表面波（SAW）滤波器的选型指导
    声表面波（SAW）滤波器是无源器件，其主要电性能参数及定义是：
    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。
    插入损耗： 在给定端接负载下，插入滤波器前，信号源直接传给视在功率与插入滤波
器后传给负载的功率之比，通常以分贝表示。通常情况下，滤波器的插入损耗是用通带中
最大输出电平频率点的插入损耗值来衡量。
    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旁瓣电平。
    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。
    群时延波动：在规定通带范围内，群延时的最大差值。

    选用器件的性能应定性考虑的因素是：
    1、 窄带滤波器将比宽带滤波器体积更长；
    2、 小矩形系数滤波器将比大矩形系数的器件体积更长；
    3、 窄带器件将有比宽带器件更差的群时延波动；
    4、 低频器件体积将比高频器件大；
    5、 给定带外抑制越高，器件延迟时间就越长；
    6、 器件越长，成本就越高；
    7、 较大插入损耗越的滤波器将有较好的振幅、相位和群时延波动特性；

    4、声表面波滤波器的发展方向
    当前，SAW 滤波器的发展趋势主要体现在以下几个方面：
    小型片式化:SAW 滤波器的小型片式化，是移动通信和其它便携式产品提出的基本要求
。为缩小SAW 滤波器的体积，通常采取三方面的措施：一是优化设计器件用芯片，设法使
其做得更小；二是改进器件的封装形式，现在已经由传统的金属壳封装改为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。）；三是将
不同功能的SAW 滤波器封装在一起，构成组合型器件以减小占用PCB 的面积，如应用于1.
9GHz PCS 终端60MHz 带宽的双频段SAW 滤波器 。
    高频、宽带化:为适应电子整机高频、宽带化的要求，SAW滤波器也必须提高工作频率
和拓展带宽。研究表明，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0.35～0.2μm 级的精细加工工艺，可
制作出2～3GHz 的SAW 滤波器。
    拓展SAW 滤波器的带宽通常从优化设计IDT 的电极结构入手。比如将IDT 按串联和并
联形式连接成梯形若干级联的结构，输入/输出直接实现连接，采用0.4μm 以下的精细加
工技术，就可制作出用于无线局域网（LAN）的2.5GHz 梯形结构谐振式SAW滤波器，带宽达
100MHz；在多重模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些
，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF 滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人
数字蜂窝（PDC）和模拟电话的中频（IF）滤波。
    低插入损耗:早期SAW 滤波器的最大缺陷是插入损耗大，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。
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