はじめに：SAWとBAWが役立つのはなぜでしょうか。
フィルタは信号を受信し、望ましい周波数を通過させ、望ましくない周波数を除去します。アコースティックフィルタは、モバイルデバイスで使用される最も一般的なフィルタです。最新のスマートフォンは、最大15の帯域で2G、3G、4Gの通信路をフィルタリング、送信、受信し、またBluetooth、Wi-Fi、その他のワイヤレス通信をサポートする必要があります。このような電話では、最大40個以上のフィルタが必要になる可能性があります。次世代テクノロジーの絶え間ない要求と革新により、電話では将来さらに多くのフィルタが必要になると思われます。
ディスクリートコンポーネントで構築されたフィルタは、今日の製品のパフォーマンス、サイズ、およびコストの要求を満たすことができません。ありがたいことに、SAWやBAWなどの弾性波フィルタを使用すると、エンジニアや開発者は完全なモノリシックのようなパッケージでフィルタを選択できます。アコースティックフィルタは、高周波数と低周波数の両方（最大6GHz）で動作し、物理的に最小のフィルタの1つであり、複雑なフィルタ要件に対して最高のパフォーマンスとコスト要件を備えています。この記事では、SAWフィルタとBAWフィルタの特性、違い、構造、およびアプリケーションについて説明します。
| 用語 | |
|---|---|
| SAW | 表面弾性波 |
| BAW | バルク弾性波 |
| 減衰（Attenuation） | RFフィルタを通過した後に発生する信号の振幅損失。通常はデシベル（dB）で表される。 |
| 挿入損失（Insertion Loss） | コンポーネントの信号経路への挿入に起因する信号電力の損失 |
| アイソレーション（Isolation） | 1つの信号と別の信号との分離度を表す指標。それらの間の意図しない相互作用（送信と受信の相互作用など）を防止するため。 |
| Q 値（Q Factor） | Q 値（Q Factor）は、フィルタ損失の主要な決定要因の1つです。Qが低いほど、フィルタコーナーの損失と丸みが大きくなります。コーナーのこの丸みは、狭帯域変調では問題になる可能性があります。. |
| 通過帯域（Passband） | 信号が通過する周波数領域です。ここでは信号は比較的減衰されません。 |
| リップル（Ripple） | 通過帯域における挿入損失の変動。 |
| 選択度（Selectivity） | フィルタの中心周波数を基準にして特定の周波数を除去するフィルタの能力の測定値。選択度は通常、フィルタの中心周波数から一定周波数離れた周波数で発生するフィルタの損失として表されます。 |
| バンドパス（Band pass） | 2つの周波数間にあるすべての信号を通過させ、他のすべての周波数の信号の通過を阻止します。 |
アコースティックフィルタの用途は何ですか？
- フロントエンドフィルタリング
- 狭帯域マルチバンドフィルタリング
- 特定周波数の干渉源の排除
- 狭帯域または広帯域のバンドパスフィルタリング
- ローパスまたはハイパスフィルタリング
注：アコースティックフィルタを選択する際に考慮すべき主要な技術パラメーターは、周波数、処理電力、帯域幅、挿入損失、減衰、および温度安定性です。
| SAWの要約情報 | |
|---|---|
| （+）通常、BAWよりも安価 | |
| （+）従来のキャビティ型フィルタ およびセラミックフィルタよりも小さい | |
| （+）低挿入損失/良好な除去能力を保有 | |
| （+）GSM、CDMA、3G、および一部の4Gバンドで動作する | |
| （-）1GHzを超えると選択度が低下するが、SAWは最大約2.7GHzで動作できる | |
| （-）2.7GHzを超えると、性能が低下し、SAWの使用が制限される | |
| （-）これらのデバイスは温度に敏感です。-基板材料は高温でより柔らかくなり、弾性波速度に悪影響を与える。 |
SAWの詳細情報
SAWフィルタの構造とは？
- 実際のフィルタは、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英、ランガサイトなどの圧電基板材料（機械的応力に応答して電荷を生成する材料）でできています。各材料には、異なる電気的特性と異なる温度係数があります。
- フィルタ基板の両側は、くし型トランスデューサ（IDT）として機能するくし状のフィンガーで形成された金属層で覆われています。(Fig. 1)
Fig. 1: SAWフィルタの内部構成（提供：サウスフロリダ大学）
信号はどのようにデバイスを通過しますか？
- デバイスの一端に電気信号が加えられます。その端にあるくし状IDTはその信号をアコースティックエネルギーに変換し、それは表面弾性波として基板を横切って伝播していきます。この弾性波はもう一つのIDTによって、コンポーネントの他端で電気信号に再変換されます。
特定の周波数をどのようにフィルタリングするのですか？
- 基板の表面を横切る弾性波の速度は、両端のIDTの電気速度よりも遅くなります。基板を伝わる波から生じる遅延は、受信側のIDTで結合し、有限インパルス応答（FIR）を生成します。
- 基板全体の移動距離とIDTフィンガーの寸法を調整することにより、インパルス応答を変更することができます。これにより、帯域幅、中心周波数、フィルタタイプ、およびその他の要因が決まります。
その他の考慮事項
- 中心周波数の範囲は50MHzから約2.7GHzまで製造可能です。
- 10〜30dBmの信号を処理できます。ハイパワー信号用ではありません。
- 標準モデルのSAWの周波数温度係数は約-50 ppm / Cと大きく問題がありますが、-15から-25 ppm / Cの低温度係数を持つ、より高価な温度補償モデルも利用できます。
| BAWの要約情報 | |
|---|---|
| （+）高周波（1.5GHz〜6GHz）でSAWよりも高いパフォーマンスを持つ | |
| （+）優れたQ値を持つ。非常に低い損失と急峻なフィルタスカート特性を標準で実現 | |
| （+）周波数が高くなるとサイズが小さくなるため、要求の厳しい3Gおよび4Gアプリケーションに最適 | |
| （+）SAWよりも温度変化の影響がはるかに少ない | |
| （-）SAWよりも高価 |
BAWの詳細情報
BAWフィルタの構造とは？
- BAWは通常、圧電基板として水晶を使用します。金属パッチはクォーツの上面と下面にあります。 (Fig. 2)
Fig. 2: BAWフィルタの構成
信号はどのようにデバイスを伝播しますか？
- 水晶の上面と下面にある金属パッチが弾性波を励起し、弾性波が金属パッチと水晶の間を往復します。BAWの弾性波は、SAWフィルタの水平伝播パスに対して垂直に伝播します。
特定の周波数をどのようにフィルタリングしますか？
- 共振周波数は膜厚に反比例します。それは金属層と誘電体層の両方を意味します。たとえば、最上層の金属の厚さの一部を削除すると、共振周波数が高くなる可能性があります。これが、周波数が高くなるとフィルタサイズが小さくなる理由です。
- 圧電材料に弾性波エネルギーを保存することにより、BAWは非常に高いQ値を達成でき、これにより急峻なフィルタスカートを備えた非常に選択度が高いフィルタを実現できます。
その他の考慮事項
- 他のタイプのBAWフィルタには、FBAR（フィルムバルクアコースティック共振器）およびBAW-SMR（一体型の共振器BAW）デバイスがあります。これらのデバイスには、弾性波を非常によくトラップし、高い弾性波エネルギーを生成する特別の微細構造が含まれています。このタイプのフィルタは、マイクロ波周波数で他の同サイズのどのフィルタよりももっとも高いQ値を実現しています。
記事の要約
フィルタは、すべての信号処理アプリケーションに不可欠です。現代のワイヤレス技術の進歩により、フィルタをより小さく高品質にする必要性が高まっています。個別のコンポーネントでサイズが制限されたフィルタを作成し、フィルタリングにおける寄生容量の影響の対処に奮闘する代わりに、弾性波フィルタはより優れたソリューションを提供します。これらのモノリシックのようなパッシブフィルタは、コンパクトなIC設計の手法を使っており、非常にサイズが小さく、低コストで、Q値が高く、非常に特殊で高性能なフィルタリング要件を満たすように作られています。SAWフィルタはより低い周波数（最大2.7GHz）で使用され、BAWフィルタはより高い周波数（2.7GHz-6GHz）で使用されます。これらの弾性波フィルタのおかげで、RFアプリケーションのフィルタ設計作業は、単にフィルタ選択するだけで良くなりました。