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1、声表面波简介 声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。 声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。但由于当时
2、的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。 1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。特别应该指出的是，1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声电换能器 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。 声表面波器件的基本结构和工作原理 声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器叉指换能器。
3、所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。 声表面波技术有如下的特点： 第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。在VHF 和UHF 绳段内，电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。同理，作为电磁器件的声学模
4、拟声表面波器件，它的尺寸也是和信号的声波波长相比拟的。因此，在同一频段上，声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小了很多，重量也随之大为减轻。例如，用一公里长的微波传愉线所能得到的延迟，只需用传输路径为1 。m 的声表面波延迟线即可完成。这表声表面波技术能实现电子器件的超小型化。 第二，由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度极慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时，就容易对信号进行取样和变换。这就给声表面波器件以极大的灵活性，使它能以非常简单的方式去完成其它技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。比如脉冲信号的压缩和展宽，编
5、码和译码以及信号的相关和卷积。一个实际例子是1976 年报道的一个长为一英寸的声表面波卷积器，它具有使两个任意模拟信号进行卷积的功能，而它所适应的带宽可达100MHz ，时带宽积可达一万。这样一个卷积器可以代替由几个快速傅里叶变换（FFT ）链作成的数字卷积器，即实际上可以代替一台专用卷积计算机。此外，在很多情况下，声表面波器件的性能还远远超过了最好的电磁波器件所能达到的水平。比如，用声表面波可以作成时间带宽乘积大于五千的脉冲压缩滤波器，在UHF 频段内可以作成Q 值超过五万的谐振腔，以及可以作成带外抑制达70dB 、频率达1 低Hz 的带通滤波器。 第三，由于声表面波器件是在单晶材料上用半导
6、体平面工艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量生产，而且当使用某些单晶材料或复合材料时，声表面波器件具有极高的温度稳定性。 第四，声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，可达100dB 。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。SAW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（可选频率范围为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、重量分别是陶瓷介质滤波器的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，
7、适应了现代通信系统设备及便携式电话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电话用小型射频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
8、优势，该公司在我国深圳设有组装厂，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。 SAW滤波器的应用 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。 SAW滤波器以极陡的过渡带使CATV的邻频传输得以实现，与
9、隔频传输相比，频谱利用率提高了1倍。电视接收机如果不采用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、承受大功率、
10、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，这是压电陶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，但目前通过电话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
11、（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。声表面波(SarfaceAcoustic Wave简写为SAW)就是在压电固体材料表面产生和传播的声波。它是由英国物理学家瑞利 l 885年发现的，因此又称为瑞利波。直到1965年怀特和沃尔默=：人提出了冲激励和检测SAW 的叉指换能器(英文简写为rDr)，这一关键技术的突破，为SAW器件的发展奠定了基础。到目前为止，世界各国已研制成了SAW 滤波罂、脉冲压缩滤波器、延迟线、谐振器、卷积器、放大器和振荡器等不同功能的100多种器件，广
12、泛地用于移动通信、光纤通信和卫星通信等无线电电子技术各个领域，显示出它的强大优势。 SAW 滤波器丰要是由IDT和压电晶体、压电陶瓷等组成，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，把设计定型的两个IDT的掩膜图案，利用光刻的方法，沉积在基片表面一个作发射IDT,一个作接收IDT,IDT的特点有：(1)它的频率特性呈的变化规律(2)IDT激发的强度与叉指周期段数目N的l甲方成正比(3)IDT的指条宽度决定了换能器的工作频率，指条愈窄、频率愈高(4)IDT的特性与叉指条的几何结构密切相关，如改变它的叉指数日、声孔径重叠长度(按不同加权函数的规律变化)、指条宽度和 隔等，可设
13、计出具有不同频率特性的器件，以适应不同信号处理功能的需要，因而适应性和灵活性强；(5)在小信号下，IDT是线性器件，因而满足互易定理，即IDT作为发射时的特性与作为接收时的特性是相同的 SAW 滤波器的特点有：(1)SAW 传播速度快，制作的器件尺寸小、重量轻；(2)设计灵活性天，能实现多种复杂的功能；(3)可选用的频率范围广(10MHz3GHz)时间带宽乘积大，可选l 数量级；(4)动态范围可达100分见传输损耗小，其姆个波长的衰减比波导传输的电磁渡小二个数量级；(5)声波是质点振动，不涉及到电子迁移过程，在传辅过程中不受电磁波的影响，所以器件的可靠性高， 抗辐射性能好。SAW滤波器的发展趋
14、势小型片式化 SAW滤波器的小型片式化，是移动通信和其他便携式产品提出的基本要求。为缩小SAW滤波器的体积，通常采取三方面的措施：一是优化设计器件用芯片，使其做得更小；二是改进器件的封装形式，现已由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC（无引线陶瓷芯片载体）表面贴装；三是将不同功能的SAW滤波器封装在一起构成组合型器件以减小PCB面积，如应用于1.9GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双带式（可支持模拟和数字两种模式）便携式手机用SAW滤波器，均装有两个滤波器。 高频、宽带化 为适应电子整机高频、宽带化的要求，SAW滤波器也必须提高工作
15、频率和拓展带宽。研究表明，当压电基材选定之后，SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽决定，IDT电极条愈窄，频率愈高。采用0.35m0.2m级的半导体微细加工工艺，可制作出2GHz3GHz的SAW滤波器。 拓展SAW滤波器的带宽通常从优化设计IDT的电极结构入手。如将IDT按串联和并联形式连接成梯形若干级联的结构，输入/输出直接实现连接，采用0.4m以下的微细加工技术，就可制作出用于无线局域网（LAN）的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器，带宽达100MHz；在多重模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝（PDC）和模拟电话的中频（IF）滤波。 降低插入损耗 早期SAW滤波器的最大缺陷是插入损耗大，一般在15dB以上，这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。为满足现代通信系统及其它用途的要求，人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计，使器件的插入损耗降低到3dB4dB，最低可达1dB。在众多压电材料研究成果中，最引人注目的是日本村田制作所发明的ZnO/蓝宝石层状结构基片材料，利用这种基片材料，已制造出1.5GHzPDC用射频SAW滤波器，其插入损耗仅1.2dB。 国内外SAW 器件采用的内连技术有铝丝键 合、金丝楔形键合、金丝球焊
