SAW和BAW滤波器概述

作者:Digi-Key工程师 Kaili Simpson

简介:为什么 SAW BAW 相当实用?

滤波器会评估信号并去除不需要的频率,同时保留所需频率。滤声器是移动设备中最常用的滤波器。一款高端智能手机必须要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波,同时要滤波的还包括:蓝牙、Wi-Fi和其他无线通讯路径。这些手机可能需要多达40多个滤波器;随着下一代技术不断膨胀的需求和创新,未来手机会需要更多的滤波器。

由分立元件构成的滤波器已无法满足当今产品的性能、尺寸和成本要求。但值得庆幸的是,声波滤波器(如SAW和BAW)支持工程师和开发人员在类似单片的完整封装中选择相应的滤波器。滤声器可以在高频和低频(高达6GHz)下工作,是物理上最小的滤波器之一,并且具有满足复杂滤波要求的最佳性能和成本点。本文将讨论SAW和BAW滤波器的特性、差异、结构和应用。

术语
SAW 表面声波
BAW 体声波
衰减 信号通过RF滤波器后引起的振幅损失,通常以分贝(dB)为单位。
插入损耗 由于将元件插入信号路径而导致的信号功率损耗。
隔离 将一个信号与另一个信号分离以防止它们之间的无意交互(例如,传输和接收交互)。
Q因子 品质因子(Q因子)是滤波器损耗的主要决定因素之一。Q值较低会导致损耗较高并使滤波器拐角变圆。对于窄带调制来说,这种拐角变圆的情况可能会产生问题。
滤波通带 信号通过且相对无衰减的区域。
波纹 通带中的插入损耗的变化。
选择性 滤波器测量通过抑制特定频率(相对于滤波器中心频率)的能力。选择性通常表示为通过滤波器的损耗,这发生在与滤波器中心频率的某些指定差异处。
带通 允许两个频率之间的所有频率通过,同时抑制所有其他频率。

滤声器有什么用途?

  • 前端过滤
  • 窄带多频段滤波
  • 消除特定的干扰源
  • 窄带或宽带通滤波
  • 低通或高通滤波

注意:选择滤声器时应考虑的主要技术参数是频率、功率容量、带宽、插入损耗、衰减和温度稳定性。

SAW 摘要信息
(+)通常比BAW便宜
(+)体积小于传统的腔体和陶瓷滤波器
(+)插入损耗低/抑制性较好
(+)适用于GSM、CDMA、3G和一些4G频段
(-)频率达到1GHz以上时,选择性下降,但SAW的可工作频率上限约为2.7GHz
(-)频率超过2.7GHz时,由于性能下降,SAW的使用受到限制
(-)这些设备对温度敏感——基材在较高温度下变得更易弯折,会使声速受到负面影响。

SAW 详细信息

SAW 滤波器 的结构是什么?

  • 实际的滤波器由压电基材(一种为响应机械应力而产生电荷的材料)制成,例如锂铌酸锂、钽酸锂、石英或镧镓硅酸盐。每种材料均具有不同的电性能和温度系数。

  • 滤波器基板的两侧都覆盖有由梳状指形物形成的金属层,该指形物用作叉指式换能器(IDT)。(图.1)

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.1 SAW 滤波器的内部组成(由南佛罗里达大学提供)

信号如何通过设备传输?

  • 电信号被提供给设备的一端;此端的梳状IDT将信号转换为声能,并将其作为表面声波发送到基板上。然后声波被另一个IDT转换回元件另一端的电子信号。

它如何过滤掉特定的频率?

  • 穿过基板表面的声波移动的速度慢于任一端上IDT的电气速度。而穿过基板的波发生的延迟在接收端的IDT处相结合,进而产生了有限冲激响应(FIR)滤波器响应。
  • 通过调整穿过基板的行进距离和IDT指的尺寸,可改变冲激响应。而这就决定了带宽、中心频率、类型和其他因素。

其他考虑因素

  • 中心频率的范围从50MHz到约2.7GHz。
  • 可处理10-30dBm信号,但不适用于高功率信号。
  • 标准SAW中的频率温度系数存在问题(约-50ppm/℃),但也可以使用更为昂贵的温度补偿模型,其系数低至-15至-25ppm/℃。
BAW 摘要信息
(+)在高频(1.5GHz-6GHz)下性能高于SAW
(+)优秀的Q——通常情况下,其损耗极低且带外衰减大
(+)滤波器尺寸随着频率的增加而降低,因此非常适用于要求苛刻的3G和4G应用
(+)对温度变化的敏感度远低于SAW
(-)比SAW贵

BAW 详细信息

BAW 滤波器的结构是什么?

  • BAW通常使用石英晶体作为压电基板。石英的顶部和底部均带有金属贴片。(图.2)

    .2 BAW 滤波器的结构

信号如何通过设备传输?

  • 位于石英顶部和底部的金属片会激发声波,该声波会在贴片和晶体之间来回反弹。BAW中的声波以垂直方式传播,而SAW滤波器则采用水平行进路径。

它如何过滤掉特定的频率?

  • 谐振频率与薄膜厚度成反比,这同时适用于金属和介电层。例如,减少顶层金属的厚度可以增加共振频率。这就是滤波器尺寸随着频率的升高而降低的原因。
  • 通过将声波能量存储在压电材料中,BAW可以实现非常高的品质(Q),从而转换成带外衰减大且极具竞争性的滤波器。

其他考虑因素

  • 其他类型的BAW滤波器包括FBAR(薄膜体声波谐振器)和BAW-SMR(固态装配谐振器BAW)设备,其中包括能够很好地捕获声波并产生高声能的附加微结构——因而在微波频率和相同尺寸的条件下,此类滤波器的Q值要高于任何其他的滤波器。

文章摘要

滤波器在所有信号处理应用中都至关重要。随着现代无线技术的进步,对滤波器的需求越来越少,但质量要求却越来越高。声波滤波器不是借助分立元件来制作尺寸限制滤波器并处理寄生电容对滤波的影响,而是提供了更好的解决方案。这些无源、单片式滤波器采用了紧凑的IC设计,具有体积小、成本低且Q因子高的特点,并且能够满足高度特定和高性能的滤波要求。SAW滤波器适用于较低频率(最高2.7GHz),BAW滤波器则适用于较高频率(2.7GHz-6GHz)。得益于这些滤声器,RF应用的 滤波器设计 已经改为 滤波器选择 ,大大简化了这一过程。

英文原文链接:Overview of SAW & BAW Filters