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1、. . . . . . . 声表面波滤波器在通信电路中的应用 摘 要 随着半导体工艺的迅速发展，光刻精度进一步提高，使得声表面波滤波器 超小型化成为现实，而通信技术的快速发展，对声表面波滤波器提出的性能要 求也越来越高。声表面滤波器简称 SAWF 或 SAW，是利用压电瓷、铌酸锂、石英 等压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能 式无源带通滤波器，它用于电视机和录像机的中频输入电路中作选频元件，取 代了中频放大器的输入吸收回路和多级调谐回路。它是在一块具有压电效应的 材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成。 当在发射换能器上加上信号电压后
2、，就在输入叉指电极间形成一个电场使压电 材料发生机械振动（即超声波）以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧 的能量由吸声材料所吸收。在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为电信 号，并由叉指形电极输出。声表面波器件因其体积小、抗辐射能力强、高速、 低功耗和高可靠性等优点，在通信、雷达和电子对抗中得到了广泛的应用，尤 其是它独有的高频特性，越来越受到重视。在追求高效率、低插入损耗、高温 度稳定的同时，中心频率和通带宽度的可调节性也成为研究热点之一。 关键词 ：声表面波，滤波器，无线通信 . . . . . . . 目 录 1 绪论 .1 2 SAW 滤波器基本理论 .1 2.1 SAW 滤波器
3、的简介.1 2.2 SAW 滤波器的结构及原理.2 2.3 SAW 波滤波器的特点.3 2.4 SAW 滤波器的应用.3 3 无线通信中用 SAW 滤波器.5 3.1 等效电路分析 .5 3.2 滤波器的设计 .6 总结.8 致.9 参考文献.10 . . . . . . . 1 绪论 随着无线移动通信技术的发展，人们对移动的需求直线上升。为规移动通 信市场，国际上建立了几种公用通信系统标准，如美国移动通信系统(AMPS)、 扩展总路线通信系统(ETACS)、全球移动系统(GSM)等。以上各通信系统所使用 的频率围均不相同，但为扩大通信容量，与传统的通信系统相比，它们的射频 频率都较高，使用带
4、宽较宽，且发射端和接收端的间隔较窄。因此，各系统对 关键器件即滤波器的滤波频率性能都有严格的要求。声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)滤波器是一种新型的信号处理器件，可以实现任意精度的 频率特性，这是其他射频滤波器难以实现的，故 SAW 滤波器在电子信息领域， 特别在通信中得到了越来越广泛的应用。随着 SAW 滤波器朝着小型片式化、高 频宽带化、低插损、高可靠性和表面贴装等方向的发展，更将使 SAW 滤波器技 术在各种信号处理、通信等领域越来越具有吸引力。 2 SAW 滤波器基本理论 2.1 SAW 滤波器的简介 声表面波 SAW（SuRFace Acoustic W
5、ave）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*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。 2.2 SAW 滤波器的结构及原理 SAW是在压电基片材料表面产生并传播，且振幅随着深入基片材料的深度增 加而迅速减少的一
6、种弹性波。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(Interdigital Transducer,IDT)， 分别用作发射换能器和接收换能器，如图1所示。 . . . . . . . 图1 SAW滤波器机构图 发射换能器将RF信号转换为声表面波，在基片表面上传播，经过一定的延 迟后，接收换能器将声信号转换为电信号输出。滤波过程是在电到声和声到电 的转换中实现，所以可以将SAW滤波器等效为一个两端口的无源网络，如图2所 示。图中H1()是发射(或输入)叉指换能器IDT1的频率响应, H2()是接收(或 输出)叉指换能器IDT2的频率响应, H3 (
7、)是SAW在两叉指换能器间的传输特性。 设声表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，显然H3()可等效为一个具有 一定延时t0的全通时延网络。若输入和输出叉指换能器中心间的距离为L，则有 t0=L/Vs (1) H3(C) =A3 exp(-jL0/VS) 式中 A3为常数，一般记为1。于是，SAW滤波器总的传输函数（或频率响应） 是 H()=H1()H3()H2() 应用傅里叶变换特性，在分析中考虑|H3 () |1，因此，可以不计入) (3H。声表面波滤波器的频率响应为H () = H1()H2()，相应的脉冲响 应h(t)为h (t)=h1(t)h2 (t)。 . . . . . .
8、. 图2 SAW滤波器的等效图 2.3 SAW 波滤波器的特点 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 和频率选择性优良（可选频率围为 10MHz3GHz）、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、制作的器件体小量轻，其体 积、重量分别是瓷介质滤波器的 1/40 和 1/30 左右，且能实现多种复杂的功能。 SAW 滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式轻薄短小化和高 频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是所需基片材料的 价格昂贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。受基片结晶 工艺苛刻和制
9、造精度要求严的影响，日本富士通、三洋电器、丰田等少数几家 掌握压电基片生产技术的制造商垄断了世界 SAW 滤波器市场。富士通公司控制 了移动用小型射频 SAW 滤波器全球市场 40左右的份额，目前其年产量在 1.5 亿只以上，最小的产品尺寸已达到 2.5mm2mm，重 22mg，集倒装式组件和专利 谐振器型滤波器设计于一体，使滤波器性能突破性飞跃。三洋电器公司是世界 最大的视听家电用 SAW 滤波器制造商之一，为保持其价格上的优势，该公司在 我国设有组装厂，年产 5000 万只。丰田公司主要生产移动通信用 SAW 滤波器， 可提供 30 多种标准型产品，均适用于表面安装。 2.4 SAW 滤波
10、器的应用 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良好的作用，可以实现任意所需精度的幅频和相 频特性的滤波，这是其它滤波器难以完成的。近年来国外已将 SAW 滤波器片式 化，重量只有 0.2g；另外，由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术， 使 SAW 器件上使用上限频率提高到 2.5GHz3GHz。从而促使 SAW 滤波器在抗 EMI 领域获得更广泛的应用。 H1() H3() H2() H() . . . . . . . SAW 滤波器以极陡的过渡带使 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 1 倍。电视
11、接收机如果不采用 SAW 滤波器，不可能稳定可靠 地工作。事实上，早期 SAW 滤波器的主要应用领域就是以电视机为代表的视听 家电产品，20 世纪 80 年代末，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 SAW 滤波器的年产量在 6 亿只以上，其中移动通信等用小型化 RFSAW 滤波器就达 4.3 亿只。 移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RS）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 800MHz2GHz、带宽为 17MHz30MHz，故要 求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受
12、大功率、低成本、小型 化等特点。由于工作频段、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，这是压电瓷滤波器和单片晶体滤波器望尘莫及 的。 在无线寻呼系统中，BP 机接收到的 RF 信号需先经滤波再进行放大。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，但由于 LC 滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此现 在逐渐被 SAW 滤波器所取代。 随着 Internet 的迅猛发展，全球上网用户愈来愈多，但目前通过上网的最 大缺点是带宽太窄（几十千赫），下载速度极慢，而 CATV 网络频率资源丰富， 不少商家因此均在开发基于 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。 3 无线通信中用 SAW
