SAW濾波器的現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)以及新型的IHP SAW濾波器介紹

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IHP SAW也就是所謂的incredible high performance（辣眼睛）SAW，坊間稱(chēng)之為超級(jí)SAW。第一次看到這個(gè)名稱(chēng)的時(shí)候真的忍不住驚了一呆，感嘆下難得的直白。這里借Murata的宣傳文檔跟大家一起了解一下；

無(wú)線通信終端中包含有射頻濾波器，其頻率范圍從800到2500MHz。目前最廣泛應(yīng)用的射頻濾波器是聲表濾波器（通常簡(jiǎn)稱(chēng)SAW，是一種用石英、鈮酸鋰或釬鈦酸鉛等壓電晶體為基片，在其表面拋光后在上面蒸發(fā)一層金屬膜，通過(guò)光刻工藝制成兩組具有能量轉(zhuǎn)換功能的交叉指型的金屬電極。分別稱(chēng)為輸入叉指換能器和輸出叉指換能器。當(dāng)輸入叉指換能器接上交流電壓信號(hào)時(shí)，壓電晶體基片的表面就產(chǎn)生振動(dòng)，并激發(fā)出與外加信號(hào)同頻率的聲波，此聲波主要沿著基片的表面的與叉指電極升起的方向傳播，故稱(chēng)為聲表面濾波，其中一個(gè)方向的聲波被除數(shù)吸聲材料吸收，別一方向的聲波則傳送到輸出叉指換能器，被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出）。

近些年我們也看到了越來(lái)越多的BAW濾波器的應(yīng)用，(不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播。對(duì)使用石英晶體作為基板的BAW諧振器來(lái)說(shuō)，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對(duì)聲波實(shí)施激勵(lì)，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。而板坯厚度和電極質(zhì)量（mass）決定了共振頻率。在BAW濾波器大顯身手的高頻，其壓電層的厚度必須在幾微米量級(jí)，因此，要在載體基板上采用薄膜沉積和微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu))。在某些實(shí)現(xiàn)難度較高的頻段，BAW技術(shù)具有SAW所難以企及的Q值及帶寬特性。

村田制作所最新開(kāi)發(fā)的新型SAW濾波器的令人難以置信的高性能，Murata稱(chēng)之為IHP SAW濾波器，它克服了傳統(tǒng)的SAW濾波器的缺點(diǎn)，并達(dá)到了優(yōu)于BAW濾波器的性能。在這篇文章中，Murata介紹了新型的IHP SAW濾波器。

1.SAW濾波器的現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)

射頻濾波器廣泛應(yīng)用于射頻終端的收發(fā)鏈路中，允許特定頻率或頻帶的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)濾除不需要的干擾或雜散信號(hào)。由若干個(gè)諧振單元所組成，以不同的電路形式連接起來(lái)（如圖1就是一個(gè)典型的梯形電路），提供具有一定帶寬的濾波電路。

Fig. 1.Schematic diagram of an RF filter (ladder circuit)

在射頻濾波器中，一個(gè)重要的特性是過(guò)渡帶的陡峭程度，即在濾波器帶通特性中處于通帶和阻帶之間的曲線。在通帶和阻帶之間的其過(guò)渡帶寬（如圖1中的紅色箭頭所示）如果過(guò)窄，會(huì)大大增加濾波器的設(shè)計(jì)難度。為了提高過(guò)渡帶的陡度，組成濾波器的諧振器之間的連接電路設(shè)計(jì)是很重要的，但諧振單元本身的特性（質(zhì)量因數(shù)或Q值）也是關(guān)鍵因素。為了滿(mǎn)足這些高難度頻段的濾波器設(shè)計(jì)要求，各廠家一直在努力提高諧振單元的Q值?；趩尉弘奓iTaO3基板的SAW器件已廣泛應(yīng)用于射頻濾波器。該濾波器具有叉指換能器，安裝在壓電基板的表面。由IDT激發(fā)的表面聲波的共振特性決定了射頻濾波器的特征頻帶（圖2）。

Fig. 2. Surfaceacoustic wave device

市場(chǎng)上另一種常見(jiàn)的新型射頻濾波器是體聲波濾波器BAW.不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播。對(duì)使用石英晶體作為基板的BAW諧振器來(lái)說(shuō)，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對(duì)聲波實(shí)施激勵(lì)，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。而板坯厚度和電極質(zhì)量（mass）決定了共振頻率。雖然BAW的生產(chǎn)復(fù)雜程度較高，但是它能夠提供更高的Q值，提供更狹窄的過(guò)渡頻帶。

在這樣的背景之下，Murata公司成功地研發(fā)出了新的IHP SAW技術(shù)，克服了傳統(tǒng)SAW的一些弱勢(shì)。新的IHP SAW能夠獲得接近甚至優(yōu)于BAW的性能，同時(shí)擁有更好的溫度特性。

2. IHP SAW的特征

IHP SAW是具有以下幾個(gè)特點(diǎn)的SAW濾波器：(1)高Q值, (2)低頻率溫度系數(shù)（TCF）和(3)良好的散熱性

(1)高Q值

IHP SAW具有高Q值的特性，這種濾波器采用了一種新的結(jié)構(gòu)，使表面聲波的能量聚焦在襯底表面上，從而使波在襯底上的無(wú)損耗傳播。在1.9GHz頻段，諧振單元Q值的峰值Qmax達(dá)到3000以上，而傳統(tǒng)SAW濾波器的諧振單元Qmax在1000左右。

圖3是一個(gè)IHP SAW濾波器的實(shí)例，設(shè)計(jì)頻段是Band25,傳統(tǒng)認(rèn)為這是最難處理的頻段。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為令人滿(mǎn)意，Tx頻段的插損典型值為1.5dB, Rx頻段插損典型值約2.1dB;隔離度的典型值為T(mén)x頻段57dB，Rx頻段59dB；這已經(jīng)達(dá)到了完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要的程度。

Fig. 3. TheI.H.P. SAW Band25DPX (left: transmission characteristics, right: isolationcharacteristics)

(2)低頻率溫度系數(shù)（TCF）

IHP SAW濾波器可以改善頻率溫度系數(shù)TCF，該濾波器通過(guò)同時(shí)控制基板的線性膨脹系數(shù)和聲音的速度，達(dá)到令人滿(mǎn)意的溫度特性。圖4顯示了濾波器的特性，當(dāng)溫度從35°C到+ 85°C.傳統(tǒng)的SAW濾波器在TCF具有一個(gè)非常大的轉(zhuǎn)變，約40 ppm /°C，而IHP SAW濾波器可以表現(xiàn)出一種改進(jìn)的TCF特性，達(dá)到約±8 ppm /°C或更低。TCF改進(jìn)了約30 ppm /°C，通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的基板結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高到0 ppm /°C。

Fig. 4. Filterwaveform under the variation of temperature (blue: -35°C, black: +25°C, red:+85°C)

IHP SAW的TCF特性也優(yōu)于BAW濾波器，常見(jiàn)的BAW濾波器TCF的范圍是20-30 ppm /°C。因此IHP SAW濾波器可以實(shí)現(xiàn)比在BAW濾波器更好的TCF特性。

(3)良好的散熱性

IHPSAW濾波器也表現(xiàn)出良好的散熱特性，當(dāng)有高功率電信號(hào)的輸入時(shí)，IDT產(chǎn)生熱量。輸入更強(qiáng)烈的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這可能導(dǎo)致設(shè)備故障，包括電極故障。而IHP SAW濾波器可以將電極產(chǎn)生的熱量高效低消散到基板上，從而降低了溫度的升高，比傳統(tǒng)的SAW濾波器低將近一半。低TCF和更好的散熱特性，保證了SAW濾波器在高溫下頻響穩(wěn)定性。

3. 未來(lái)可期

IHPSAW濾波器在從800M到2.5GHz這樣的寬頻帶內(nèi)都可以表現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，在近期的研究中我們也驗(yàn)證過(guò)3.5GHz的性能，該頻段也被認(rèn)為是傳統(tǒng)SAW濾波器難以企及的高頻帶（Q值對(duì)比曲線如圖5）。移動(dòng)終端向高速通信工具的演進(jìn)是未來(lái)發(fā)展的必然之路。IHP SAW濾波器產(chǎn)品也是應(yīng)對(duì)下一代通信終端所帶來(lái)的挑戰(zhàn)的潛在選擇。

Fig. 5．Qcharacteristics comparison of the I.H.P. SAW and traditional SAW filters

IHP SAW濾波器另一個(gè)特征是帶寬調(diào)整的自由度。IHP SAW濾波器允許設(shè)計(jì)者選擇他們想要的任何帶寬。除此之外，該IHP SAW濾波器可用于濾波器小型化的要求,與傳統(tǒng)的SAW濾波器相比，上述三個(gè)特性將有助于器件的小型化。隨著移動(dòng)終端上可用尺寸的縮小，對(duì)射頻器件的尺寸也提出了越來(lái)越高的要求。在這種前提下，IHP SAW濾波器是一種能夠提供尺寸優(yōu)勢(shì)的理想產(chǎn)品。