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射频电路中的表面波滤波器

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发表于 2019-5-31 22:53:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
射频电路PCB的设计技巧 及 四大基础特性

射频干扰一直是无线通信的天敌,它要求设计师采取凌厉手段以束其就范。随着每台设备内所支持频段的日益增多,当今的无线设备必须要同时防范来自其它设备及自身的干扰信号。

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:Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收路径。必须对 各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行抑制。要做到这点,一款多频段智能手机需要八或九个滤波器和八个双工器。如果没有声滤波技术,这将难以实现。

SAW:成熟且仍在发展

声表面波(SAW)滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。 SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。

因为SAW滤波器制作在晶圆上,所以可 以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上,且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。

存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及 “发电机” 。当对这种晶体施以电压,晶体将发生机械形变,将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时,机械能又转换为电能。

在晶体结构的两面形成电荷,使电 流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的这种转换的能量损耗极低,无论电/机还是机/电能量转换,效率都可高达99.99%。

在固态材料中,交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内,对声波进行导限以产生极高品质因数(Q值可达数千)的驻波(standing waves)。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。

在一款基础SAW滤波器(图1)中,电输入信号通过间插的金属交指型换能器(IDT)转换为声波,这种IDT是在诸如石英、钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)等压电基板上形成的。在一款非常小设备内,IDT的低速特性非常适合众多波长通过。
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图1 :基本SAW滤波器

但SAW滤波器有局限性。高于约1GHz时,其选择性降低;在约2.5GHz,其使用仅限于对性能要求不高的应用。SAW器件易受温度变化的影响,是个老大难问题:温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。

一种替代方法是使用温度补偿(TC-SAW) 滤波器,它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。温度未补偿SAW器件的频率温度系数(TCF)通常约为-45ppm/℃,而 TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层, 所以,TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也更高,但仍比体声波(BAW)滤波器便宜。

高性能BAW

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用,高于1.5GHz 时,BAW滤波器非常具有性能优势(图2)。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外,即便在高宽带设 计中,BAW对温度变化也不那么敏感,同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边(filter skirt)。
QQ截图20190531224801.png
图2 :高于1.5GHz时,BAW滤波器非常具有性能优势

不同于SAW滤波器,BAW滤波器内的声波垂直传播(图3)。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励, 使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量(mass)决定了共振频率。

在BAW滤波器大显身手的高频,其压电层的厚度必须在几微 米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。
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为使声波不散漫到基板上,通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件(图4)。另一种方法,称为薄膜体声波谐振器(FBAR),它是在有源区下方蚀刻出空腔,以形成悬浮膜。
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因这两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波,它们的损耗都非常低。在微波频率,BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高,可达:2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处,它也有极好的抑制和插入损耗性能。

虽然BAW和FBAR滤波器的制造成本更高,其性能优势非常适合极具挑战性的LTE频带以及PCS频带,后者的发送和接收路径间只有20MHz的狭 窄过渡范围。 BAW和FBAR滤波器的IDT可做得足够大,以支持4W@2GHz的更高射频功率。BAW器件对静电放电有固有的高阻抗,其BAW-SMR变体具有约 -17ppm/℃ @2GHz的TCF 。

随着频谱拥挤导致缩窄甚至舍弃保护频带的趋势,对于高性能滤波器的需求显著增加。 BAW技术使人们有可能设计出具有非常陡峭滤波器裙边、高抑制性能以及温漂很小的窄带滤波器,它非常适合处理相邻频段之间非常棘手的干扰抑制问题。

BAW 器件所需的制造工艺步骤是SAW的10倍,但因它们是在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此,BAW的成本仍高于SAW。 然而,对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说,BAW是唯一可用方案。因此,BAW滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。

在BAW-SMR滤波器底部电极下方使用的声反射器使其在FBAR面临挑战的频段拥有优化的带宽性能。反射器使用的二氧化硅还显著减少了BAW的整体温 漂,该指标远好于BAW甚至FBAR所能达到的水平。

由于谐振器位于结实的材料块上,其散热比FBAR好得多,后者采用一个膜,仅能通过边缘散热。这使得 BAW器件可实现更高的功率密度,不久就会有可用于小蜂窝基站应用10W级器件的问世。

总结

未来几年,SAW、TC-SAW和BAW滤波器及双工器的各种选择将成为各类无线设备更重要的组成部分。随着各类发射器的增加、更高频率内更多无线频段的分配、加之全球频谱管理依然各自为政,射频干扰抑制将变得越来越具有挑战性。

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