過(guò)濾器的功能(過(guò)濾器的主要功能和作用)
濾波器可分為L(zhǎng)C濾波器、腔體濾波器、聲濾波器、介質(zhì)濾波器等。根據(jù)不同的實(shí)現(xiàn)方法。不同的過(guò)濾器適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。在手機(jī)無(wú)線通信應(yīng)用中，由于設(shè)備體積小、功耗低，智能手機(jī)目前使用的是小體積、高性能的聲濾波器，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為聲表面波(SAW)濾波器和體聲波(BAW)濾波器。
聲表面波濾波器的基本原理是在輸入端，通過(guò)壓電效應(yīng)將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，在輸出端通過(guò)逆壓電效應(yīng)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線信號(hào)。一個(gè)基本的聲表面波濾波器由壓電材料和兩個(gè)叉指換能器(IDT)組成。輸入端的IDT將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波，聲波在聲表面波濾波器基片表面以駐波的形式橫向傳播，輸出端的IDT接收到的聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)濾波。
(資料圖)
SAW產(chǎn)品包括普通SAW濾波器和具有溫度補(bǔ)償特性的TC-SAW濾波器，產(chǎn)品形式包括雙工器和單個(gè)濾波器。原材料主要是鉭酸鋰或鈮酸鋰的單晶晶圓(主要是4英寸晶圓)。諸如光刻和涂覆的半導(dǎo)體工藝被應(yīng)用于晶片的頂部用于圖案化，然后被切割成芯片。芯片表面結(jié)構(gòu)和制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。
常見(jiàn)的聲學(xué)濾波器包括聲表面波、BAW、FBAR和XBAR。
BAW濾波器的基本原理與聲表面波濾波器相同，但不同的是聲波在BAW濾波器中垂直傳播。同時(shí)，電極的使用和薄膜壓電層的厚度決定了濾波器的諧振頻率。在高頻下，薄膜壓電層的厚度在幾微米量級(jí)，因此需要采用難度較大的薄膜沉積和微加工技術(shù)，制造難度和成本較高。微信微信官方賬號(hào)認(rèn)為，BAW濾鏡有FBAR型和SMR型，結(jié)構(gòu)略有不同。BAW濾波器可以直接在硅片(主要是6英寸)上加工設(shè)計(jì)，利用PVD或CVD設(shè)備制備壓電薄膜是關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，薄膜材料主要是氮化鋁和氧化鋅。
關(guān)鍵詞:聲學(xué)；聲波；表面聲波(saw)；體聲波；過(guò)濾；射頻前端模塊(射頻FEM)；第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)；4G；交流；科學(xué)和技術(shù)；過(guò)濾；無(wú)線電頻率；微波；無(wú)線電；手機(jī)；藍(lán)牙；WIFI，；基站；技術(shù)；芯片；射頻前端；射頻芯片；移動(dòng)射頻濾波器；聯(lián)通；電信；廣播電視；操作員；設(shè)備供應(yīng)商；華為；愛(ài)立信；諾基亞；中興通訊；6G；4G；選擇；推薦；科學(xué)院；聲學(xué)研究所；尖端技術(shù)；十大最有前途的行業(yè)之一
聲表面波濾波器
saw濾波器是SAW濾波器的縮寫(xiě)。它是利用應(yīng)時(shí)晶體、壓電陶瓷等壓電材料的壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性制成的一種特殊濾波裝置。它被廣泛應(yīng)用于電視機(jī)和錄像機(jī)的中頻電路中，取代液晶中頻濾波器，大大提高了圖像和聲音的質(zhì)量。微信微信官方賬號(hào)提醒大家，聲表面波(SAW)是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播的彈性波，其振幅隨進(jìn)入基片材料深度的增加而迅速減小。
聲表面波濾波器原理示意圖:
聲表面波濾波器的結(jié)構(gòu)如圖所示。它由壓電材料制成的基底和其上燒制的梳狀電極組成。當(dāng)輸入信號(hào)輸入到聲表面波濾波器的大端時(shí)，電極的壓電材料表面會(huì)產(chǎn)生與外加信號(hào)頻率相同的機(jī)械振動(dòng)波。振動(dòng)波以聲波的速度在壓電基片表面?zhèn)鞑ァ．?dāng)波到達(dá)輸出端時(shí)，輸出端由梳狀電極組成的換能器將聲能轉(zhuǎn)換成交流電信號(hào)輸出。
從上面的描述不難看出，聲表面波濾波器由兩個(gè)換能器組成。輸入換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射聲表面波，輸出換能器將接收到的聲表面波聲能轉(zhuǎn)換成電能輸出。聲表面波濾波器利用壓電基片上的這兩個(gè)換能器產(chǎn)生并檢測(cè)聲表面波，從而完成濾波功能。
聲表面波濾波器的主要特點(diǎn)是:設(shè)計(jì)靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、優(yōu)良的群時(shí)延時(shí)間偏差和頻率選擇性(可選頻率范圍10MHz ~ 3GHz)、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾(EMI)性能好、可靠性高、制造的器件體積小、重量輕(其體積和重量分別約為陶瓷介質(zhì)濾波器的1/40和1/30)
聲表面波濾波器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，正好滿(mǎn)足了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備和便攜式電話在輕、薄、緊湊、高頻、數(shù)字化、高性能、高可靠性等方面的要求。其缺點(diǎn)是:所需襯底材料昂貴，對(duì)襯底的取向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。
baw-體聲波濾波器
雖然聲表面波和TC-SAW濾波器非常適合1.5GHz左右的應(yīng)用，但BAW濾波器在1.5GHz以上有很大的性能優(yōu)勢(shì)(圖2)。BAW濾波器的尺寸也隨著頻率的增加而減小，這使得它非常適合要求苛刻的3G和4G應(yīng)用。此外，即使在高帶寬設(shè)計(jì)中，BAW對(duì)溫度變化也不那么敏感，并且它還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙。
圖2: BAW濾波在1.5GHz以上有很大的性能優(yōu)勢(shì)
與聲表面波濾波器不同，BAW濾波器中的聲波是垂直傳播的(圖3)。對(duì)于以應(yīng)時(shí)晶體為基底的BAW諧振器，嵌入在應(yīng)時(shí)基底頂面和底面的金屬激發(fā)聲波，聲波從頂面反射到底面，形成駐波。平板厚度和電極質(zhì)量決定共振頻率。在BAW濾波器發(fā)揮作用的高頻下，壓電層的厚度必須在幾微米的數(shù)量級(jí)。因此，應(yīng)采用薄膜沉積和微加工技術(shù)在載體襯底上實(shí)現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)。
圖3:聲波在3:BAW濾波器中的垂直傳播。
為了防止聲波傳播到基板，通過(guò)堆疊具有不同剛度和密度的薄層來(lái)形成布拉格反射器。這種方法被稱(chēng)為牢固安裝諧振器的BAW或BAW-SMR裝置(圖4)。另一種稱(chēng)為薄膜體聲波諧振器(FBAR)的方法是在有源區(qū)下刻蝕一個(gè)空腔，形成一個(gè)浮膜。
圖4:baw-SMR裝置。
由于這兩種BAW濾波器的聲能密度很高，而且其結(jié)構(gòu)能夠很好地引導(dǎo)和限制聲波，所以損耗很低。在微波頻率下，BAW可實(shí)現(xiàn)的Q值高于同等體積的任何其他濾波器，[email protected]?有優(yōu)異的抑制和插入損耗的性能。
盡管BAW和FBAR濾波器的制造成本較高，但它們的性能優(yōu)勢(shì)非常適合具有挑戰(zhàn)性的LTE頻段和PCS頻段，這兩個(gè)頻段在發(fā)射和接收路徑之間只有20MHz的狹窄過(guò)渡范圍。濾波器微信微信官方賬號(hào)認(rèn)為，BAW IDT和FBAR的濾波器可以做得足夠大，[email protected]??靜電放電能力，[email protected]
隨著頻譜擁塞導(dǎo)致保護(hù)頻帶變窄甚至放棄的趨勢(shì)，對(duì)高性能濾波器的需求顯著增加。BAW技術(shù)使得人們可以設(shè)計(jì)出濾波器裙邊非常陡峭、抑制性能高、溫度漂移小的窄帶濾波器，非常適合處理相鄰頻段之間非常困難的干擾抑制問(wèn)題。TriQuint和其他濾波器制造商的工程師正在努力實(shí)現(xiàn)帶寬為4%或更高、損耗更低、TCF基本為零的BAW-SMR濾波器。
BAW器件的制造工藝步驟是聲表面波器件的10倍，但因?yàn)樗鼈兪窃诟蟮木现圃斓模悦總€(gè)晶片生產(chǎn)的BAW器件大約多4倍。即便如此，BAW的成本仍然高于聲表面波。然而，對(duì)于2GHz以上的一些具有挑戰(zhàn)性的頻帶，BAW是唯一可用的方案。因此，BAW濾波器在3G/4G智能手機(jī)中的份額正在快速增長(zhǎng)。
BAW-SMR濾波器底部電極下使用的聲學(xué)反射器使其能夠在FBAR面臨挑戰(zhàn)的頻帶中具有優(yōu)化的帶寬性能。反射器中使用的二氧化硅也顯著降低了BAW的整體溫度漂移，遠(yuǎn)優(yōu)于BAW甚至FBAR。因?yàn)橹C振器位于固體材料塊上，所以它的散熱比FBAR好得多，后者使用薄膜，只能通過(guò)邊緣散熱。這使得BAW設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，不久將有10W設(shè)備可用于小型基站應(yīng)用。
BAW濾波原理示意圖
BAW-SMR
固體安裝諧振器是在振動(dòng)結(jié)構(gòu)下形成的布拉格反射器，用于將聲波反射到壓電層中。反射器由幾層高低阻抗交替組成，例如第一層的聲阻抗大，第二層的聲阻抗小，第三層的聲阻抗大，每層的厚度為聲波的λ/4，這樣大部分的波會(huì)被反射回來(lái)，與原始波疊加。這種結(jié)構(gòu)的整體效果相當(dāng)于與空氣體接觸，大部分聲波被反射回來(lái)。這個(gè)建筑叫做BAW-SMR。
FBAR
薄膜體聲波諧振器，包括薄膜型和氣隙型。
膜類(lèi)型是從襯底回到表面(即底部電極表面)，形成薄膜和懸浮的空腔。
膜式類(lèi)似于BAW諧振器的基本模型，兩側(cè)有空氣體。由于空氣體的聲阻抗遠(yuǎn)低于壓電層的聲阻抗，大部分聲波都會(huì)被反射回來(lái)。然而，薄膜結(jié)構(gòu)需要足夠堅(jiān)固，以便在后續(xù)過(guò)程中不受影響。與BAW-SMR相比，薄膜型
一小部分與下面的基板接觸，不利于散熱。
在氣隙型中，在制造壓電層之前沉積輔助層，最后去除輔助層以在振蕩結(jié)構(gòu)下形成氣隙。
由于只有邊緣部分與底層基板接觸，這種結(jié)構(gòu)在壓力下相對(duì)脆弱，與膜式類(lèi)似，散熱也需要注意。
BAW濾波器類(lèi)別
BAW濾波器可以按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接多個(gè)旋變器。有許多類(lèi)型的濾波器，包括階梯型濾波器、點(diǎn)陣型濾波器、堆疊晶體濾波器和耦合諧振器濾波器。這里只簡(jiǎn)單介紹階梯型和點(diǎn)陣型。
梯形(最后提到的聲表面波)使用的分解器包括串聯(lián)和并聯(lián)。串聯(lián)旋變加并聯(lián)旋變稱(chēng)為一級(jí)，整個(gè)梯形濾波器可以由幾級(jí)組成。
在了解梯形濾波器的工作原理之前，我們先來(lái)看看BAW諧振器的基本模型，如下圖所示。
的典型基本結(jié)構(gòu)如上圖(a)所示，壓電層夾在上下金屬電極之間，對(duì)應(yīng)的mBVD等效電路如上圖(b)所示，對(duì)應(yīng)的阻抗如上圖(c)所示。可以看出有兩個(gè)諧振頻率，串聯(lián)(fs)和并聯(lián)(fp)。工作原理如下。
在通帶內(nèi)，串聯(lián)諧振器fs的阻抗很小，保證信號(hào)通過(guò)，并聯(lián)諧振器fp的阻抗很大，阻止信號(hào)通過(guò)。
格型濾波器的每一級(jí)有四個(gè)分解器，包括兩個(gè)串聯(lián)和兩個(gè)并聯(lián)。基本模型如下。
梯形可用于單端/不平衡和平衡信號(hào)，而點(diǎn)陣式更適合平衡信號(hào)。
作者大膽預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年，SAW、TC-SAW、BAW濾波器和雙工器的各種選擇將成為各種無(wú)線設(shè)備更重要的組成部分。隨著各種發(fā)射機(jī)的增加，更多射頻頻段在更高頻率的分配，以及全球頻譜管理仍然獨(dú)立的事實(shí)，射頻干擾的抑制將變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。
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責(zé)任編輯：Rex_13
