聲表面濾波器理論
來源：http://www.dbaub.cn 作者：konuaer 2012年08月30
聲表面濾波器基本理論
聲表面濾波器SAW是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播，且振幅隨著深入基片材料的深度增加而迅速減少的一種彈性波。SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個(gè)聲電換能器－叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)，分別用作發(fā)射換能器和接收換能器。
發(fā)射換能器將RF信號轉(zhuǎn)換為聲表面波，在基片表面上傳播，經(jīng)過一定的延遲后，接收換能器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。濾波過程是在電到聲和聲到電的轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)，所以可以將聲表面濾波器等效為一個(gè)兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中H1(ω)是發(fā)射(或輸入)叉指換能器IDT1的頻率響應(yīng), H2(ω)是接收(或輸出)叉指換能器IDT2的頻率響應(yīng)， H3 (ω)是SAW在兩叉指換能器間的傳輸特性。設(shè)聲表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，顯然H3(ω)可等效為一個(gè)具有一定延時(shí)t0的全通時(shí)延網(wǎng)絡(luò)。若輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L，則有
式中A3為常數(shù)，一般記為1。于是，聲表面濾波器總的傳輸函數(shù)（或頻率響應(yīng)）是應(yīng)用傅里葉變換特性，在分析中考慮1|)(|3≈ωH，因此，可以不計(jì)入)(3ωH。聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為
SAW濾波器
專業(yè)術(shù)語
標(biāo)稱頻率：通常是指中間頻率的標(biāo)稱值，用于做相對于標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率。
通帶寬度：這是一個(gè)頻率間隔，并確保這時(shí)的相對衰耗等于或低于指定的衰耗值
帶內(nèi)波動：這是指通帶內(nèi)達(dá)到最大衰減之間，最大和最小衰減耗的最大差值
插入損耗：這是區(qū)分濾波器插入和未插入時(shí)的衰耗值的，它可分為最小損耗和恒定損耗。最小損耗是指插入損耗的最小值，恒定損耗是指在標(biāo)稱頻率時(shí)的損耗。兩者都可作為插入損耗的參考標(biāo)準(zhǔn)，通常將最小損耗作為標(biāo)準(zhǔn)。
阻帶寬度：指相對衰耗等于或高于指定值的頻率間隔。
固定衰耗和帶寬：這是指在衰耗帶寬中保證的相對損耗和頻率間隔。
終端阻抗：這是電源阻抗或從濾波器側(cè)看的負(fù)載阻抗值，它通常被等效為一個(gè)電阻和電容的并聯(lián)。
群延時(shí)：它是相位對角頻率的微分值
群延時(shí)帶內(nèi)波動：在特定的通帶寬度中群延時(shí)的最大和最小群延時(shí)的最大差值
1． 產(chǎn)能力范圍如下所示：
2． 在聲表面波的最大額定值范圍內(nèi)使用
3． 不要用高于最大輸入電壓值的電壓，過高的電壓會加速產(chǎn)品特性的退化。
4． 在使用SAW器件前，要做好接地工作，從而盡量減小輸入和輸出端的耦合，否則將這種耦合造成器件的幅度和群延時(shí)波動。注意波頻為f = 1/T
5． 在輸入和輸出區(qū)之間成倍反射的聲表面波TTE波著附于主信號波上，會使主信號幅度和群延時(shí)產(chǎn)生抖動，從而增加端品間的失配度，而SAW應(yīng)該工作在給定的終端條件下。注意波頻為f = l /T
6． 注意不要在引腳施加太大的壓力
7． 存儲和運(yùn)輸聲表面濾波器件的特定溫度必須低于85℃
8． 注意在焊接聲表面波產(chǎn)品的時(shí)候要防止施加電壓
9． 避免聲表面波作為獨(dú)立單元和被安裝在PC板上后被超聲波消磁。在聲表面波產(chǎn)品清洗時(shí)應(yīng)該仔細(xì)選擇清洗劑（器）
10．安裝表帖裝型聲表面波設(shè)備
10-1 嚴(yán)重的溫暖變化； 在嚴(yán)重的溫度變化情況下，焊接部分將出現(xiàn)爆裂，因?yàn)橛∷⒕€路板材和表面型聲表面波器件的陶瓷封裝有著不同溫度系數(shù)。如果要避免這種情況出現(xiàn)，請預(yù)先向我們咨詢溫度條件等情況。
10-2 來自自動焊接的震動；請注意，如果自動焊接過程給聲表面波設(shè)備太多機(jī)械震動將會器件的電特性將惡化，。
10-3 （因PC板變形而引起的壓力）如果PC 板在安裝了聲表面波設(shè)備后發(fā)生變形，機(jī)械應(yīng)力將會引起焊接部分脫落與設(shè)備封裝的開裂。
無線通信中用聲表面濾波器的研究
在移動通信系統(tǒng)中，無論是數(shù)字式還是模擬式，其發(fā)射和接收信號的功能模塊電路結(jié)構(gòu)基本相同，如圖3所示。在Tx端，在載波上對信號進(jìn)行調(diào)制, 通過放大電路將功率放大，然后經(jīng)過SAW濾波器濾波后由天線將信號發(fā)出，本通道要求濾波器損耗低，可承受大功率；在R x端通道，天線接收到的微弱信號經(jīng)SAW濾波器過濾后，進(jìn)行放大解調(diào)，最終獲得所要的信息，要求濾波器損耗低，阻帶抑制高。
傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器一般具有損耗低、大帶寬以及較高的功率承受能力等特點(diǎn)。但其致命的弱點(diǎn)是體積太大，難以適應(yīng)移動電話向微型化方向發(fā)展的趨勢。而聲表面濾波器具有體積小，適合于微型封、一致性好、無須調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。本文以無線通信系統(tǒng)中移動電話用SAW濾波器(其技術(shù)要求為：Tx端中心頻率f 0為902.5 MHz，帶寬為25 MHz；R x端f 0為947.5 MHz，帶寬為25 MHz)為例，介紹梯型結(jié)構(gòu)SAW濾波器的等效電路分析，并給出設(shè)計(jì)結(jié)果。
等效電路分析
采用電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)構(gòu)的SAW濾波器由單端對聲表面諧振器來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容(LC)濾波器低損耗的優(yōu)點(diǎn)，而且可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計(jì)射頻濾波器，工作頻率范圍為300～2 400 MHz，相對帶寬為2%～6%， 插入損耗小于5 dB。
設(shè)計(jì)單端對諧振器時(shí)，使并臂諧振器的反諧振頻率與串臂諧振器的諧振頻率相同。其中frp、fap、frs、fas分別為并臂、串臂諧振器的諧振頻率和反諧振頻率。根據(jù)梯型濾波器傳輸函數(shù)截止條件可知，串臂諧振器阻抗Zs和并臂諧振器阻抗ZP性質(zhì)相同時(shí)，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP>－1時(shí)，形成通帶；Zs/ZP<－1時(shí)，形成過渡帶；Zs/ZP=－1時(shí)的頻率點(diǎn)為截止頻率。
SAw濾波器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)梯型結(jié)構(gòu)濾波器[3, 4]，主要是對單端諧振器的設(shè)計(jì)，并協(xié)調(diào)好串臂和并臂諧振器的相互關(guān)系。諧振器的阻抗可用其諧振頻率
式中ω rs=2πfrs, ω rp=2πfrp分別為串臂、并臂諧振角頻率；ω ra=2π fra , ω ap=2π fap分別為串臂、并臂反諧振角頻率；為使梯型濾波器的匹配阻抗為線性阻抗R p，串、并臂阻抗應(yīng)滿足聲表面諧振器的頻率關(guān)系為fap≈frs，f0=frp=fas－f0。在通帶頻率范圍內(nèi)，Δ f=(fas－frp)/2，將式(4)、(5)代入式(6)，可化為式中一般取為50 Ω。單端對諧振器的靜電容可由下式獲得
設(shè)計(jì)得到的聲表面濾波器頻率特性如圖7所示，其中心頻率為947.5 MHz，3 dB帶寬>30 MHz，插損≤4.0 dB，SS>30 dB，匹配阻抗為50 Ω，取得了較為滿意的結(jié)果。
康華爾電子
聲表面濾波器SAW是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播，且振幅隨著深入基片材料的深度增加而迅速減少的一種彈性波。SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個(gè)聲電換能器－叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)，分別用作發(fā)射換能器和接收換能器。
發(fā)射換能器將RF信號轉(zhuǎn)換為聲表面波，在基片表面上傳播，經(jīng)過一定的延遲后，接收換能器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。濾波過程是在電到聲和聲到電的轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)，所以可以將聲表面濾波器等效為一個(gè)兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中H1(ω)是發(fā)射(或輸入)叉指換能器IDT1的頻率響應(yīng), H2(ω)是接收(或輸出)叉指換能器IDT2的頻率響應(yīng)， H3 (ω)是SAW在兩叉指換能器間的傳輸特性。設(shè)聲表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，顯然H3(ω)可等效為一個(gè)具有一定延時(shí)t0的全通時(shí)延網(wǎng)絡(luò)。若輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L，則有
式中A3為常數(shù)，一般記為1。于是，聲表面濾波器總的傳輸函數(shù)（或頻率響應(yīng)）是應(yīng)用傅里葉變換特性，在分析中考慮1|)(|3≈ωH，因此，可以不計(jì)入)(3ωH。聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為
SAW濾波器
專業(yè)術(shù)語
標(biāo)稱頻率：通常是指中間頻率的標(biāo)稱值，用于做相對于標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率。
通帶寬度：這是一個(gè)頻率間隔，并確保這時(shí)的相對衰耗等于或低于指定的衰耗值
帶內(nèi)波動：這是指通帶內(nèi)達(dá)到最大衰減之間，最大和最小衰減耗的最大差值
插入損耗：這是區(qū)分濾波器插入和未插入時(shí)的衰耗值的，它可分為最小損耗和恒定損耗。最小損耗是指插入損耗的最小值，恒定損耗是指在標(biāo)稱頻率時(shí)的損耗。兩者都可作為插入損耗的參考標(biāo)準(zhǔn)，通常將最小損耗作為標(biāo)準(zhǔn)。
阻帶寬度：指相對衰耗等于或高于指定值的頻率間隔。
固定衰耗和帶寬：這是指在衰耗帶寬中保證的相對損耗和頻率間隔。
終端阻抗：這是電源阻抗或從濾波器側(cè)看的負(fù)載阻抗值，它通常被等效為一個(gè)電阻和電容的并聯(lián)。
群延時(shí)：它是相位對角頻率的微分值
群延時(shí)帶內(nèi)波動：在特定的通帶寬度中群延時(shí)的最大和最小群延時(shí)的最大差值
1． 產(chǎn)能力范圍如下所示：
2． 在聲表面波的最大額定值范圍內(nèi)使用
3． 不要用高于最大輸入電壓值的電壓，過高的電壓會加速產(chǎn)品特性的退化。
4． 在使用SAW器件前，要做好接地工作，從而盡量減小輸入和輸出端的耦合，否則將這種耦合造成器件的幅度和群延時(shí)波動。注意波頻為f = 1/T
5． 在輸入和輸出區(qū)之間成倍反射的聲表面波TTE波著附于主信號波上，會使主信號幅度和群延時(shí)產(chǎn)生抖動，從而增加端品間的失配度，而SAW應(yīng)該工作在給定的終端條件下。注意波頻為f = l /T
6． 注意不要在引腳施加太大的壓力
7． 存儲和運(yùn)輸聲表面濾波器件的特定溫度必須低于85℃
8． 注意在焊接聲表面波產(chǎn)品的時(shí)候要防止施加電壓
9． 避免聲表面波作為獨(dú)立單元和被安裝在PC板上后被超聲波消磁。在聲表面波產(chǎn)品清洗時(shí)應(yīng)該仔細(xì)選擇清洗劑（器）
10．安裝表帖裝型聲表面波設(shè)備
10-1 嚴(yán)重的溫暖變化； 在嚴(yán)重的溫度變化情況下，焊接部分將出現(xiàn)爆裂，因?yàn)橛∷⒕€路板材和表面型聲表面波器件的陶瓷封裝有著不同溫度系數(shù)。如果要避免這種情況出現(xiàn)，請預(yù)先向我們咨詢溫度條件等情況。
10-2 來自自動焊接的震動；請注意，如果自動焊接過程給聲表面波設(shè)備太多機(jī)械震動將會器件的電特性將惡化，。
10-3 （因PC板變形而引起的壓力）如果PC 板在安裝了聲表面波設(shè)備后發(fā)生變形，機(jī)械應(yīng)力將會引起焊接部分脫落與設(shè)備封裝的開裂。
無線通信中用聲表面濾波器的研究
在移動通信系統(tǒng)中，無論是數(shù)字式還是模擬式，其發(fā)射和接收信號的功能模塊電路結(jié)構(gòu)基本相同，如圖3所示。在Tx端，在載波上對信號進(jìn)行調(diào)制, 通過放大電路將功率放大，然后經(jīng)過SAW濾波器濾波后由天線將信號發(fā)出，本通道要求濾波器損耗低，可承受大功率；在R x端通道，天線接收到的微弱信號經(jīng)SAW濾波器過濾后，進(jìn)行放大解調(diào)，最終獲得所要的信息，要求濾波器損耗低，阻帶抑制高。
傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器一般具有損耗低、大帶寬以及較高的功率承受能力等特點(diǎn)。但其致命的弱點(diǎn)是體積太大，難以適應(yīng)移動電話向微型化方向發(fā)展的趨勢。而聲表面濾波器具有體積小，適合于微型封、一致性好、無須調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。本文以無線通信系統(tǒng)中移動電話用SAW濾波器(其技術(shù)要求為：Tx端中心頻率f 0為902.5 MHz，帶寬為25 MHz；R x端f 0為947.5 MHz，帶寬為25 MHz)為例，介紹梯型結(jié)構(gòu)SAW濾波器的等效電路分析，并給出設(shè)計(jì)結(jié)果。
等效電路分析
采用電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)構(gòu)的SAW濾波器由單端對聲表面諧振器來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容(LC)濾波器低損耗的優(yōu)點(diǎn)，而且可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計(jì)射頻濾波器，工作頻率范圍為300～2 400 MHz，相對帶寬為2%～6%， 插入損耗小于5 dB。
設(shè)計(jì)單端對諧振器時(shí)，使并臂諧振器的反諧振頻率與串臂諧振器的諧振頻率相同。其中frp、fap、frs、fas分別為并臂、串臂諧振器的諧振頻率和反諧振頻率。根據(jù)梯型濾波器傳輸函數(shù)截止條件可知，串臂諧振器阻抗Zs和并臂諧振器阻抗ZP性質(zhì)相同時(shí)，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP>－1時(shí)，形成通帶；Zs/ZP<－1時(shí)，形成過渡帶；Zs/ZP=－1時(shí)的頻率點(diǎn)為截止頻率。
SAw濾波器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)梯型結(jié)構(gòu)濾波器[3, 4]，主要是對單端諧振器的設(shè)計(jì)，并協(xié)調(diào)好串臂和并臂諧振器的相互關(guān)系。諧振器的阻抗可用其諧振頻率
式中ω rs=2πfrs, ω rp=2πfrp分別為串臂、并臂諧振角頻率；ω ra=2π fra , ω ap=2π fap分別為串臂、并臂反諧振角頻率；為使梯型濾波器的匹配阻抗為線性阻抗R p，串、并臂阻抗應(yīng)滿足聲表面諧振器的頻率關(guān)系為fap≈frs，f0=frp=fas－f0。在通帶頻率范圍內(nèi)，Δ f=(fas－frp)/2，將式(4)、(5)代入式(6)，可化為式中一般取為50 Ω。單端對諧振器的靜電容可由下式獲得
設(shè)計(jì)得到的聲表面濾波器頻率特性如圖7所示，其中心頻率為947.5 MHz，3 dB帶寬>30 MHz，插損≤4.0 dB，SS>30 dB，匹配阻抗為50 Ω，取得了較為滿意的結(jié)果。
康華爾電子
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