SAW 및 BAW 필터의 개요

인트로: SAW 와 BAW가 유용한 이유는 무엇일까요?

필터는 신호를 수신하여 원하는 주파수는 유지하면서 원치 않는 주파수는 제거합니다. 탄성파 필터(acoustic filter)는 모바일 장치에 사용되는 가장 일반적인 필터입니다. 최신 스마트폰은 2G, 3G 및 4G에서 최대 15개의 대역을 필터링하거나 전송 및 수신해야 할 뿐만 아니라, 블루투스나 와이파이와 같은 기타 무선 통신들도 지원해야 합니다. 이러한 전화기는 최대 40개 이상의 필터가 필요할 수 있습니다; 차세대 기술에 대한 끊임없는 요구와 혁신으로 인해 미래에는 전화기에 훨씬 더 많은 필터가 필요할 수 있습니다.

개별 부품(discrete components)으로 구성한 필터는 요즘 제품들의 성능, 크기 및 비용 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 다행히 SAW와 BAW 같은 탄성파 필터로 인해 엔지니어나 개발자는 일체화된 모놀리식(monolithic) 집적 회로와 같은 패키지로 된 필터를 선택할 수 있습니다. 탄성파 필터는 고주파 및 저주파(최대 6GHz) 모두에서 동작할 수 있으며, 물리적으로 가장 작은 필터에 속할 뿐만 아니라, 복잡한 필터링 요구 사항에 대해 성능과 비용에서 최고의 요소를 갖추고 있습니다. 이 게시글 에서는 SAW와 BAW 필터의 특성, 차이점, 구조 및 용도에 대해 논할 것입니다.

용어
SAW 표면 탄성파 필터(Surface acoustic wave)
BAW 체적 탄성파 필터(Bulk acoustic wave)
감쇠(Attenuation) 일반적으로 데시벨(dB) 단위로 측정되며, RF 필터를 신호가 통과함으로써 발생하는 진폭 손실입니다.
삽입 손실(Insertion Loss) 신호의 경로에 부품을 삽입해서 발생하는 신호 세기의 손실
분리도(Isolation) (예를 들어, 송신 신호와 수신 신호 간의 상호 간섭처럼)신호 간의 의도치 않는 상호 작용을 방지하기 위해 다른 신호로부터 신호를 분리한 정도
Q 인자(Q Factor) 양호도(quality factor, Q factor)는 필터의 손실을 결정하는 주요 요인 중 하나입니다. Q가 낮을수록 손실과 필터 모서리의 곡률이 커집니다. 이렇게 모서리의 곡률이 커지면 협대역 변조의 경우에는 문제가 될 수 있습니다.
통과대역(Passband) 신호가 비교적 감쇠 되지 않은 채 통과할 수 있는 영역
리플(Ripple) 통과 대역 내에서의 삽입 손실의 변화량
선택도(Selectivity) 필터의 중심 주파수 대비 특정 차단 주파수를 필터가 얼마나 통과시키는지에 대한 측정 값. 선택도는 일반적으로 필터의 중심 주파수 대비 지정된 주파수에서 발생하는 필터의 통과 손실로 표현됩니다.
대역 통과(Band pass) 두 주파수 사이의 모든 주파수는 통과시키고 다른 모든 주파수는 차단합니다.

탄성파 필터의 용도에는 어떤 것이 있나요?

  • 프론트엔드(front end) 필터링
  • 다중 협대역 필터링
  • 특정 간섭원을 제거
  • 협대역 또는 광대역 통과 필터링
  • 저주파 또는 고주파 통과 필터링

참고: 탄성파 필터를 선택할 때 고려해야 할 주요한 기술적 파라미터는 주파수, 처리 가능한 전력, 대역폭, 삽입 손실, 감쇠 및 온도 안정성입니다.

SAW의 요약 정보
(+) 일반적으로 BAW보다 저렴
(+) 기존의 캐비티 또는 세라믹 필터보다 작음
(+) 낮은 삽입 손실과 양호한 차단 특성
(+) GSM, CDMA, 3G 및 일부 4G 대역에 사용 가능
(-) 1GHz를 넘어서면 선택도가 떨어지지만, SAW는 약 2.7GHz까지는 동작 가능
(-) 2.7GHz를 넘어서면 성능 저하 때문에 SAW의 사용은 제한됨
(-) 이 소자는 온도에 민감함 - 기판의 재료가 고온에서 유연해짐에 따라 탄성파의 속도에 부정적 영향을 줌

SAW의 심층 정보

SAW 필터의 구조는 어떻게 되나요?

  • 실제 필터는 니오브산 리튬(Lithium Niobate, LiNbO3), 탄탈산 리튬(Lithium Tantalate, LiTaO3), 석영(Quartz) 또는 란탄 갈륨 규산염(Lanthanum Gallium Silicate, 랑가 사이트(Langasite)라고도 함)과 같은 압전 기판 재료(기계적 응력에 대응하여 전하를 생성하는 재료)로 만들어집니다.
  • 필터 기판의 양쪽은 빗살 변환기(Interdigital Transducer, IDT) 역할을 하는 빗 모양의 핑거들로 형성된 금속 레이어로 싸여 있습니다. (그림. 1)
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    그림. 1: SAW 필터의 내부 구조 (사우스 플로리다 대학교 제공)

신호는 어떻게 소자를 통과해 진행하나요 ?

  • 소자의 한쪽 끝에 전기적 신호가 인가됩니다. 빗 모양의 IDT는 전기적 신호를 탄성파 에너지로 전환하고 이를 표면 탄성파 형태로 기판을 가로 질러 전송하게 됩니다. 소자의 다른 한쪽 끝에서 다른 IDT에 의해 탄성파는 전기적 신호로 다시 전환됩니다.

특정 주파수를 어떻게 필터링하나요 ?

  • 기판의 표면을 가로지르는 탄성파의 속도는 양쪽 IDT의 전기적 신호의 속도보다 느립니다. 탄성파가 기판을 가로질러 진행함으로써 발생하는 지연은 수신하는 쪽의 IDT에서 결합되어 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response, FIR) 필터로 반응합니다.
  • 기판을 가로지르는 진행 거리와 IDT 핑거의 치수를 조정하면, 임펄스 응답이 변하며, 이는 대역폭, 중심 주파수, 필터 형태 및 기타 요인들을 결정하게 됩니다.

추가 고려 사항

  • 중심 주파수 범위는 50MHz에서 약 2.7GHz입니다.
  • 10~30dBm 크기의 신호를 처리할 수 있으나, 고출력 신호용으로 만들어진 것은 아닙니다.
  • 표준 SAW의 주파수 온도 계수는 대략 -50ppm/°C로 문제가 되나, 최저 -15에서 -25ppm/°C의 좀 더 비싼 온도 보상 모델도 있습니다.
BAW의 요약 정보
(+) 1.5GHz~6GHz의 고주파에서 SAW보다 성능이 우수함
(+) 뛰어난 Q - 대표적으로 손실이 매우 적고 필터의 스커트 특성이 매우 가파름
(+) 주파수가 높아지면 필터 크기가 작아져서 까다로운 3G 및 4G 애플리케이션에 이상적
(+) SAW보다 온도 변화에 훨씬 덜 민감함
(-) SAW보다 비쌈

BAW의 심층 정보

BAW 필터의 구조는 어떻게 되나요?

  • BAW는 보통 압전 기판 재료로 석영 결정을 사용하며, 금속 전극이 석영 기판의 윗면과 아랫면에 있습니다. (그림. 2)
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    그림. 2: BAW 필터의 구조

신호는 어떻게 소자를 통과해 진행하나요 ?

  • 석영 기판 위아래면의 금속 전극이 탄성파를 야기하면 전극 사이에서 튀며 (아래위로)왕복하는 정상 탄성파(standing acoustic wave)가 형성됩니다. SAW 필터에서 탄성파가 수평으로 진행하는 것에 비해 BAW에서는 탄성파가 수직으로 진행합니다.

특정 주파수를 어떻게 필터링하나요 ?

  • 공진 주파수는 금속과 압전 기판 모두를 포함한 박막 두께 및 전극의 물성에 반비례합니다. 예를 들어, 윗면의 금속 전극 두께를 줄이면 공진 주파수는 높아질 것입니다. 이는 주파수가 높을수록 필터 크기가 작아지는 이유입니다.
  • 압전 기판에 탄성파 에너지를 저장함으로써, BAW는 매우 높은 Q 값을 얻을 수 있어 스커트 특성이 매우 가파른 선택도가 높은 필터 성능을 보입니다.

추가 고려 사항

  • BAW 필터는 탄성파를 잘 가둬 높은 탄성파 에너지를 얻을 수 있는 추가적인 미세구조물(FBAR는 cavity, BAW-SMR은 Bragg reflector라 불리는 층)에 따라 FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator) 및 BAW-SMR(Solidly Mounted Resonator)로 나뉩니다. 이로 인해 이들은 마이크로웨이브 대역에서 이 크기의 다른 어느 필터들 보다도 Q 값이 가장 높습니다.

게시글 요약

필터는 모든 신호 처리 애플리케이션에서 필수적이며, 현대 무선 기술의 발전으로 필터의 소형화 및 고품질화에 대한 필요성이 증가하였습니다. 개별 부품으로 크기가 제한된 필터를 만들고 이로 인한 기생 정전용량의 영향을 처리하지 않고도 탄성파 필터는 보다 나은 솔루션을 제공합니다. 이 모놀리식 집적 회로 같은 수동 필터는 매우 작고, 저렴하며, Q 값이 높은 컴팩트한 IC 설계로 되어 있으며, 매우 정교하고 고성능인 필터링 요구 사양을 충족하도록 제작되었습니다. SAW 필터는 최대 2.7GHz의 다소 낮은 주파수에 사용되며 BAW는 2.7GHz에서 6GHz의 보다 높은 주파수에서 사용됩니다. 이러한 탄성파 필터 덕분에, RF 제품의 필터 설계는 필터의 선택으로 변경되어 개발 과정이 더 간단해 졌습니다.



영문 원본: Overview of SAW & BAW Filters