將SAW過濾器用于無線標準應(yīng)用中

濾波器一直是射頻信號路徑中必不可少的組成部分。過去，工程師必須熟練掌握濾波器設(shè)計理論和實踐的復雜性，才能創(chuàng)建基于分立元件的真實濾波器。然而，對于今天的無線設(shè)備和應(yīng)用，使用這種方法越來越難以滿足所需的濾波器規(guī)格，因為RF頻譜變得更加擁擠并被切成更小的條子，而工作頻率增加到遠遠超過GHz閾值。實際情況是，使用分立元件的濾波器無法滿足當今許多RF產(chǎn)品的性能，一致性（由于寄生效應(yīng)），尺寸和成本需求。

幸運的是，在過去幾十年中開發(fā)出了類似單片的器件，如表面聲波（SAW）濾波器，這些器件提供了所需的功能和特性。對于SAW濾波器，工程師主要關(guān)注的是將濾波器選擇為單個完整實體，而不是濾波器設(shè)計。 SAW濾波器提供了性能，尺寸和成本的有利組合，并廣泛用于體現(xiàn)Wi-Fi，LTE，GSM，藍牙和許多其他無線標準的應(yīng)用中。

多頻段智能手機可以擁有十個或更多SAW濾波器，可以在系統(tǒng)級以及高度本地化的子系統(tǒng)中實現(xiàn)多種作用：寬帶，窄帶，通帶，低通和高通。電路（圖1）。因此，工程師的過濾器相關(guān)活動已經(jīng)從復雜的設(shè)計和相關(guān)的測試/調(diào)試工作轉(zhuǎn)移到選擇合適的可用過濾器（這對大多數(shù)工程師來說是一件好事）。

圖1：SAW濾波器在無線設(shè)備中大量使用，用于前端濾波，窄帶多頻帶濾波和消除特定干擾源;它們可以是窄的或?qū)挼?，具有帶通，低通和高通FIR特性。 （由Taiyo Yuden提供）

SAW濾波器基礎(chǔ)知識

SAW器件將電子RF信號能量轉(zhuǎn)換為聲學域中的機械能。該濾波器基于用作襯底的壓電材料，例如石英，鈮酸鋰，鉭酸鋰或鑭鎵硅酸鹽。該基板的兩端都覆蓋有雕刻金屬層作為電聲換能器，由梳狀指形成為叉指式換能器（IDT），如圖2所示。

圖2：壓電基板兩端的類似梳狀的叉指式換能器將撞擊電能轉(zhuǎn)換為聲 - 機械能，然后能量波穿過表面，在那里轉(zhuǎn)換回電氣IDT在接收端的能量。 （由南佛羅里達大學提供）

電信號被施加到設(shè)備的一端，由源IDT轉(zhuǎn)換為聲能并在壓電材料的表面上發(fā)射，在那里它作為表面?zhèn)鞑?- 聲波（瑞利勛爵之后稱為瑞利波，詳細分析了它們）。然后通過類似但不相同的IDT將能量轉(zhuǎn)換回遠端的電子信號，設(shè)計用于捕獲能量。幸運的是，整體電氣/聲學和互補的聲/電轉(zhuǎn)換過程非常高效，達到99％或更高;這有助于保持信噪比和信號完整性。

SAW濾波是由建設(shè)性和破壞性干擾引起的，因為當波在表面上以3000到12,000米/秒的速度傳播時會發(fā)生波延遲（取決于基材）。接收端的延遲輸出組合，產(chǎn)生有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器響應(yīng)。聲能的傳播速度遠遠慢于電傳播，因此具有機械可行的尺寸。通過調(diào)節(jié)IDT指狀物的行進距離和尺寸，從而調(diào)節(jié)它們的脈沖響應(yīng)，SAW裝置的駐波干涉圖案建立了所需的濾波器中心頻率，帶寬，類型和其他因素。

請注意，SAW在基本概念和實現(xiàn)方面與傳統(tǒng)的全電子，基于RLC的濾波器完全不同;它不僅僅是集成電路，單片重新創(chuàng)建RLC型濾波器。然而，制造工藝在許多方面類似于標準IC，因此SAW器件利用了成熟的技術(shù)，投資和制造專業(yè)知識。與RLC濾波器一樣，它是無源器件，無需電源。

體聲波（BAW）濾波器和FBAR（薄膜體聲波諧振器）在首次出現(xiàn)時與SAW器件類似，但有一些主要差異。在BAW裝置中，聲能穿過壓電基板以建立駐波，而不是像SAW濾波器那樣穿過表面。 FBAR是BAW方法的一種變體;它使用在結(jié)構(gòu)內(nèi)具有懸浮膜的蝕刻腔來實現(xiàn)期望的共振并因此實現(xiàn)過濾。一般而言，SAW器件最多只適用于單位數(shù)千兆赫茲范圍，而BAW器件在幾GHz及更高頻率下是更好的選擇。

雖然標準SAW（和BAW）器件是固定頻率的設(shè)備正在進行工作，使它們作為可調(diào)諧濾波器以及可接受的性能運行;其中一些工作利用了MEMS技術(shù)。通過這種方式，可以指示單個設(shè)備“在運行中”改變其工作頻率以服務(wù)多個頻段，在成本和空間節(jié)省方面具有明顯的優(yōu)勢。

SAW濾波器參數(shù)

選擇SAW濾波器時感興趣的主要參數(shù)與傳統(tǒng)濾波器類似（圖3）。這些包括中心頻率，帶寬，插入損耗，衰減，功率處理和溫度穩(wěn)定性。由于其相當好的性能，低成本和小尺寸，數(shù)十家這樣的設(shè)備每年由數(shù)十家供應(yīng)商生產(chǎn)（其中許多是大批量供應(yīng)商，但其名稱通常不為人所知），擁有成千上萬的獨特型號。

圖3：與傳統(tǒng)的基于無源RLC的濾波器一樣，濾波器性能的關(guān)鍵參數(shù)是中心頻率，帶內(nèi)插入損耗和輸出帶寬衰減。 （由Taiyo Yuden提供）

因此，很難引用典型的SAW規(guī)范，因為每個可用設(shè)備都有折衷，例如帶寬更窄但損耗更大;沒有SAW設(shè)備在所有參數(shù)中具有“最佳”規(guī)格。 SAW中心頻率跨越約50 MHz至幾GHz，帶寬介于中心頻率的1％至10％之間。插入損耗在3到30 dB之間，回波損耗在10到30 dB之間。

一般來說，SAW器件不是用作高功率信號的濾波器，但它們通?？梢蕴幚?0到30 dBm的信號。許多設(shè)計師非常關(guān)心的是它們的頻率溫度系數(shù)（tempco），這在許多情況下都是一個問題。 SAW器件的典型溫度系數(shù)為-50 ppm/?C。還有更先進的（因此更昂貴的）溫度補償SAW配置，其溫度低至-15至-25 ppm/℃。

部件顯示出不同的性能

在常見應(yīng)用中使用的SAW濾波器的兩個示例，每個都適用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，顯示了數(shù)千個可用單元的多樣性。 Taiyo Yuden的F6QA1G585M2AT是一款50Ω單端設(shè)備，專為GPS/GLONASS衛(wèi)星接收器設(shè)計，通帶為1565.42至1605.886 MHz。在該通帶內(nèi)插入損耗在1到2 dB之間（圖4），在通帶外急劇增加到30 dB以上。該濾波器采用1.1×0.9×0.5 mm厚的封裝。

圖4：Taiyo Yuden的F6QA1G585M2AT SAW濾波器經(jīng)過優(yōu)化使用在GPS/GLONASS接收機中，40 MHz通帶以1585.653 MHz為中心，通帶外部急劇下降。

RF設(shè)計人員還關(guān)注輸入和輸出阻抗，如史密斯圓圖所示（圖5和圖6），需要與SAW濾波器兩側(cè)的電路進行阻抗匹配，以最大限度地減少駐波（VSWR）和思考。

圖5：RF電路設(shè)計人員一直關(guān)注功能模塊之間的阻抗匹配，因此F6QA1G585M2AT數(shù)據(jù)手冊包含輸入阻抗特性的史密斯圓圖。

圖6：F6QA1G585M2AT輸出阻抗的史密斯圓圖也很關(guān)鍵。

對于低得多的頻率，例如用于點對點短距離無線電鏈路的Murata RF Monolithics的RF2040E以910.0 MHz為中心，目標是在902.0和928.0 MHz之間進行帶通操作。其1 dB帶寬為31 MHz，插入損耗為2.0 dB（典型值）和3.0 dB（最大值）。接近通帶的衰減為37 dB（圖7），從通帶進一步增加到48 dB（圖8）。請注意，該濾波器在通帶中相對平坦，典型紋波約為0.7 dB（圖9）。

圖7：從865.0到965.0 MHz的Murata RF Monolithics RF2040E SAW濾波器響應(yīng)顯示1 dB帶寬以及兩側(cè)的不對稱響應(yīng)通帶。

圖8：進一步遠離通帶，RF2040E在200到2000 MHz范圍內(nèi)的衰減再增加20到與接近通帶相比，為30 dB。

圖9：通帶內(nèi)的紋波緊密1.0 dB，保持低幅度失真簡化了信號處理。

輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為130Ω;再次，供應(yīng)商提供輸入和輸出史密斯圓圖以分別幫助阻抗匹配（圖10和圖11）。這款3.0×3.0 mm 8引腳封裝的最大輸入功率為15 dBm，厚度僅為1 mm。

圖10：史密斯圓圖在匹配時，RF2040E輸入至關(guān)重要，以最大限度地減少前端輸入放大器和SAW濾波器輸入之間的損耗和反射。

圖11： RF2040E的標稱輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為130Ω;設(shè)計人員必須在隨后的匹配階段考慮到這一點。