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详解 SAW 和 BAW 滤波器的结构、原理、使用考虑因素


滤波器会评估信号并去除不需要的频率,同时保留所需频率。滤声器是移动设备中最常用的滤波器。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路径进行滤波,同时要滤波的还包括:蓝牙、Wi-Fi 和其他无线通讯路径。这些手机可能需要多达 40 多个滤波器;随着下一代技术不断膨胀的需求和创新,未来手机会需要更多的滤波器。
由分立元件构成的滤波器已无法满足当今产品的性能、尺寸和成本要求。但值得庆幸的是,声波滤波器(如 SAW 和 BAW)支持工程师和开发人员在类似单片的完整封装中选择相应的滤波器。滤声器可以在高频和低频(高达 6GHz)下工作,是物理上最小的滤波器之一,并且具有满足复杂滤波要求的最佳性能和成本点。本文将讨论 SAW 和 BAW 滤波器的特性、差异、结构和应用。


滤声器有什么用途?
前端过滤
窄带多频段滤波
消除特定的干扰源
窄带或宽带通滤波
低通或高通滤波
注意:选择滤声器时应考虑的主要技术参数是频率、功率容量、带宽、插入损耗、衰减和温度稳定性。



SAW 滤波器 的结构是什么?
实际的滤波器由压电基材(一种为响应机械应力而产生电荷的材料)制成,例如锂铌酸锂、钽酸锂、石英或镧镓硅酸盐。每种材料均具有不同的电性能和温度系数。
滤波器基板的两侧都覆盖有由梳状指形物形成的金属层,该指形物用作叉指式换能器(IDT)。(图 .1)



图 .1 : SAW 滤波器的内部组成(由南佛罗里达大学提供)

信号如何通过设备传输?
电信号被提供给设备的一端;此端的梳状 IDT 将信号转换为声能,并将其作为表面声波发送到基板上。然后声波被另一个 IDT 转换回元件另一端的电子信号。
它如何过滤掉特定的频率?
穿过基板表面的声波移动的速度慢于任一端上 IDT 的电气速度。而穿过基板的波发生的延迟在接收端的 IDT 处相结合,进而产生了有限冲激响应(FIR)滤波器响应。
通过调整穿过基板的行进距离和 IDT 指的尺寸,可改变冲激响应。而这就决定了带宽、中心频率、类型和其他因素。
其他考虑因素
中心频率的范围从 50MHz 到约 2.7GHz。
可处理 10-30dBm 信号,但不适用于高功率信号。
标准 SAW 中的频率温度系数存在问题(约 -50ppm/℃),但也可以使用更为昂贵的温度补偿模型,其系数低至 -15 至 -25ppm/℃。


BAW 详细信息
BAW 滤波器的结构是什么?
BAW 通常使用石英晶体作为压电基板。石英的顶部和底部均带有金属贴片。(图 .2)




图 .2 : BAW 滤波器的结构

信号如何通过设备传输?
位于石英顶部和底部的金属片会激发声波,该声波会在贴片和晶体之间来回反弹。BAW 中的声波以垂直方式传播,而 SAW 滤波器则采用水平行进路径。
它如何过滤掉特定的频率?
谐振频率与薄膜厚度成反比,这同时适用于金属和介电层。例如,减少顶层金属的厚度可以增加共振频率。这就是滤波器尺寸随着频率的升高而降低的原因。
通过将声波能量存储在压电材料中,BAW 可以实现非常高的品质(Q),从而转换成带外衰减大且极具竞争性的滤波器。
其他考虑因素
其他类型的 BAW 滤波器包括 FBAR(薄膜体声波谐振器)和 BAW-SMR(固态装配谐振器 BAW)设备,其中包括能够很好地捕获声波并产生高声能的附加微结构——因而在微波频率和相同尺寸的条件下,此类滤波器的 Q 值要高于任何其他的滤波器。