射頻電路基礎(chǔ)篇： 聲表面波（SAW）濾波器的應(yīng)用

射頻干擾一直是無線通信的天敵，它要求設(shè)計(jì)師采取凌厲手段以束其就范。隨著每臺設(shè)備內(nèi)所支持頻段的日益增多，當(dāng)今的無線設(shè)備必須要同時(shí)防范來自其它設(shè)備及自身的干擾信號。

一款高端智能手機(jī)必須要對多達(dá)15個(gè)頻段的2G、3G和4G無線接入方式的發(fā)送和接收路徑進(jìn)行濾波，同時(shí)要濾波的還包括：Wi-Fi、藍(lán)牙和GPS接收器的接收路徑。必須對 各接收路徑的信號進(jìn)行隔離。還必須要對出處雜多、難以盡舉的其它外部信號進(jìn)行抑制。要做到這點(diǎn)，一款多頻段智能手機(jī)需要八或九個(gè)濾波器和八個(gè)雙工器。如果沒有聲濾波技術(shù)，這將難以實(shí)現(xiàn)。

SAW:成熟且仍在發(fā)展

聲表面波（SAW）濾波器廣泛應(yīng)用于2G接收機(jī)前端以及雙工器和接收濾波器。 SAW濾波器集低插入損耗和良好的抑制性能于一身，不僅可實(shí)現(xiàn)寬帶寬，其體積還比傳統(tǒng)的腔體甚至陶瓷濾波器小得多。

因?yàn)镾AW濾波器制作在晶圓上，所以可 以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。SAW技術(shù)還支持將用于不同頻段的濾波器和雙工器整合在單一芯片上，且僅需很少或根本不需額外的工藝步驟。

存 在于具有一定對稱性晶體內(nèi)的壓電效應(yīng)是聲濾波器的“電動(dòng)機(jī)”及 “發(fā)電機(jī)” 。當(dāng)對這種晶體施以電壓，晶體將發(fā)生機(jī)械形變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)這種晶體被機(jī)械壓縮或展延時(shí)，機(jī)械能又轉(zhuǎn)換為電能。

在晶體結(jié)構(gòu)的兩面形成電荷，使電 流流過端子和/或形成端子間的電壓。電氣和機(jī)械能量間的這種轉(zhuǎn)換的能量損耗極低，無論電/機(jī)還是機(jī)/電能量轉(zhuǎn)換，效率都可高達(dá)99.99%。

在固態(tài)材料中，交替的機(jī)械形變會產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲濾波器內(nèi)，對聲波進(jìn)行導(dǎo)限以產(chǎn)生極高品質(zhì)因數(shù)（Q值可達(dá)數(shù)千）的駐波（standing waves）。這些高Q值的諧振是聲濾波器的頻率選擇性和低損耗特性的基礎(chǔ)。

在一款基礎(chǔ)SAW濾波器（圖1）中，電輸入信號通過間插的金屬交指型換能器（IDT）轉(zhuǎn)換為聲波，這種IDT是在諸如石英、鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電基板上形成的。在一款非常小設(shè)備內(nèi)，IDT的低速特性非常適合眾多波長通過。

圖1 ：基本SAW濾波器

但SAW濾波器有局限性。高于約1GHz時(shí)，其選擇性降低；在約2.5GHz，其使用僅限于對性能要求不高的應(yīng)用。SAW器件易受溫度變化的影響，是個(gè)老大難問題：溫度升高時(shí)，其基片材料的剛度趨于變小、聲速也降低。

一種替代方法是使用溫度補(bǔ)償（TC-SAW） 濾波器，它是在IDT的結(jié)構(gòu)上另涂覆一層在溫度升高時(shí)剛度會加強(qiáng)的涂層。溫度未補(bǔ)償SAW器件的頻率溫度系數(shù)（TCF）通常約為-45ppm/℃，而 TC-SAW濾波器則降至-15到-25ppm/℃。但由于溫度補(bǔ)償工藝需要加倍的掩模層， 所以，TC-SAW濾波器更復(fù)雜、制造成本也更高，但仍比體聲波（BAW）濾波器便宜。

高性能BAW

雖然SAW和TC-SAW濾波器非常適合約1.5GHz以內(nèi)的應(yīng)用，高于1.5GHz 時(shí)，BAW濾波器非常具有性能優(yōu)勢（圖2）。BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小，這使它非常適合要求非?？量痰?G和4G應(yīng)用。此外，即便在高寬帶設(shè) 計(jì)中，BAW對溫度變化也不那么敏感，同時(shí)它還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊（filter skirt）。

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圖2 ：高于1.5GHz時(shí)，BAW濾波器非常具有性能優(yōu)勢

不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播（圖3）。對使用石英晶體作為基板的BAW諧振器來說，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對聲波實(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，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)。

為使聲波不散漫到基板上，通過堆疊不同剛度和密度的薄層形成一個(gè)聲布拉格（Bragg）反射器。這種方法被稱為牢固安裝諧振器的BAW或BAW-SMR器件（圖4）。另一種方法，稱為薄膜體聲波諧振器（FBAR），它是在有源區(qū)下方蝕刻出空腔，以形成懸浮膜。

因這兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結(jié)構(gòu)都能很好地導(dǎo)限聲波，它們的損耗都非常低。在微波頻率，BAW可實(shí)現(xiàn)的Q值、在可比體積下、比任何其它類型的濾波器都高，可達(dá)：2500@2GHz。這使得即使在通帶邊緣的吃緊處，它也有極好的抑制和插入損耗性能。

雖然BAW和FBAR濾波器的制造成本更高，其性能優(yōu)勢非常適合極具挑戰(zhàn)性的LTE頻帶以及PCS頻帶，后者的發(fā)送和接收路徑間只有20MHz的狹 窄過渡范圍。 BAW和FBAR濾波器的IDT可做得足夠大，以支持4W@2GHz的更高射頻功率。BAW器件對靜電放電有固有的高阻抗，其BAW-SMR變體具有約 -17ppm/℃@2GHz的TCF 。

隨著頻譜擁擠導(dǎo)致縮窄甚至舍棄保護(hù)頻帶的趨勢，對于高性能濾波器的需求顯著增加。 BAW技術(shù)使人們有可能設(shè)計(jì)出具有非常陡峭濾波器裙邊、高抑制性能以及溫漂很小的窄帶濾波器，它非常適合處理相鄰頻段之間非常棘手的干擾抑制問題。

BAW 器件所需的制造工藝步驟是SAW的10倍，但因它們是在更大晶圓上制造的，每片晶圓產(chǎn)出的BAW器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。 然而，對一些分配在2GHz以上極具挑戰(zhàn)性的頻段來說，BAW是唯一可用方案。因此，BAW濾波器在3G/4G智能手機(jī)內(nèi)所占的份額在迅速增長。

在BAW-SMR濾波器底部電極下方使用的聲反射器使其在FBAR面臨挑戰(zhàn)的頻段擁有優(yōu)化的帶寬性能。反射器使用的二氧化硅還顯著減少了BAW的整體溫 漂，該指標(biāo)遠(yuǎn)好于BAW甚至FBAR所能達(dá)到的水平。

由于諧振器位于結(jié)實(shí)的材料塊上，其散熱比FBAR好得多，后者采用一個(gè)膜，僅能通過邊緣散熱。這使得 BAW器件可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，不久就會有可用于小蜂窩基站應(yīng)用10W級器件的問世。

總結(jié)

未來幾年，SAW、TC-SAW和BAW濾波器及雙工器的各種選擇將成為各類無線設(shè)備更重要的組成部分。隨著各類發(fā)射器的增加、更高頻率內(nèi)更多無線頻段的分配、加之全球頻譜管理依然各自為政，射頻干擾抑制將變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

5G的來臨對濾波器行業(yè)的影響巨大。一方面，5G新的頻段增加，單部設(shè)備中增加濾波器數(shù)量勢必增加；另一方面，新的技術(shù)引入如MIMO、載波聚合，對濾波器的性能（如矩形度，帶外抑制，體積和溫度穩(wěn)定性）的要求不斷提高。這里需要特別指出的是MIMO技術(shù)的引入，MIMO要求同一頻段將采用大規(guī)模的天線陣，而按照目前的MIMO架構(gòu)，每根天線后都為加上濾波器，這意味著未來手機(jī)中同一頻段的濾波器也可能存在多顆，這可能會使得濾波器的需求成幾何數(shù)的增長。