SAW 滤波器：从基础结构到性能突破，全面解析无线通信核...

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SAW 滤波器：从基础结构到性能突破，全面解析无线通信核心元件

在无线通信技术日新月异的当下，各种先进的电子设备不断涌现，为人们的生活带来了极大的便利。而在这背后，有一个关键的元件在默默发挥着重要作用，它就是 SAW 滤波器。或许对于普通消费者来说，SAW 滤波器这个名字有些陌生，但它却广泛应用于手机、基站等众多无线通信设备中，是实现信号高效处理与传输的核心部件。据相关数据显示，在当前全球智能手机市场中，超过 90% 的手机都采用了 SAW 滤波器来优化信号处理，其重要性可见一斑。今天，就让我们一同走进 SAW 滤波器的世界，深入了解它的奥秘。

SAW 滤波器的基本结构蕴含着独特的设计智慧。其核心部件叉指换能器，结构看似简单，实则精妙。在压电晶圆表面制作的周期性栅格电极结构，能够实现电信号与声表面波的相互转换。通过巧妙设置电极的结构周期，特定频率的电信号可以转化为表面波，反之，特定波长的声表面波也能通过正压电效应转换为电信号。这一神奇的转换过程，使得电磁波的传播速度大幅降低，同频率器件的尺寸也得以大幅缩小，为移动通信技术的发展奠定了坚实基础。例如，采用 SAW 滤波器技术后，手机内部射频前端模块的尺寸相较于以往缩小了约 30% - 40%，极大地节省了手机内部宝贵的空间，为实现更轻薄的外观设计和集成更多功能提供了可能。

在 SAW 滤波器中，单端谐振器和 DMS（Double Mode SAW）是两种重要的基本结构。单端谐振器由中心的叉指换能器和两端的反射栅组成，其导纳曲线呈现出特定的规律，在谐振点 fr 和反谐振点 fa 之间的区域呈感性，之外的区域呈容性，这种响应可通过 MBVD 模型进行表征。在实际应用中，还可以通过结合电容电感对谐振器的 fr 和 fa 位置进行调整，从而实现对谐振器耦合带宽的调控，为滤波器的设计提供了更多的灵活性。研究数据表明，通过串电感和并电容的方式，能够将谐振器耦合带宽拓展 20% - 30%，或者显著提高矩形度，使滤波器的性能得到有效优化。DMS 结构相较于单端谐振器更为复杂，它多了 2 个额外的 IDT 结构，每一阶 IDT 具有独立的周期，能在反射栅之间产生驻波，形成多个谐振。通过精心设计谐振之间的频率间隔，工程师们可以获取所期望的滤波性能。不过，早期的 DMS 结构存在通带插损偏大、不平坦的问题，后来经过不断研究，通过对 DMS 电极 pitch 的精确调制，有效抑制了体波散射损耗，实现了低插损和平坦的通带。相关实验数据显示，经过优化后的 DMS 结构，通带插损能够降低至原来的 50% - 60%，极大地提升了滤波器的信号传输效率。随着技术的发展，对器件带宽、抑制度、芯片尺寸等方面的要求越来越高，DMS 结构也在不断演进，从 3 阶逐渐发展到 5 阶、7 阶甚至 9 阶，这无疑对设计提出了更高的挑战，需要精确的仿真模型和丰富的工程经验作为支撑。

当我们了解了 SAW 滤波器的基本单元后，接下来看看在实际滤波器中如何构建电路拓扑。通常，SAW 滤波器的拓扑结构分为 ladder 型滤波器和纵耦合型滤波器两大类。Ladder 型滤波器完全由单端对谐振器构成，通过巧妙错开串联和并联谐振器的频率，使得串联谐振器的 fr 频率和并联谐振器的 fa 接近，从而形成通带。增加阶数能够提升带宽和抑制度，将单个谐振器拆分成多个谐振器级联还可以提高功率耐受性，设计十分灵活。例如，在某实际应用场景中，将 Ladder 型滤波器的阶数从 3 阶增加到 5 阶后，其带宽提升了约 15% - 20%，对干扰信号的抑制度也提高了 10 - 15dB。这种滤波器在近阻带容易实现高抑制性能，但在较远的低频范围实现高抑制相对困难，且与同样阶数的纵耦合型滤波器相比，面积更大，因此常用于 TX filter 和双工器多工器中的发射通道。纵耦合型滤波器则以 DMS 为核心结构单元，它可以是纯 DMS 结构组合，也可以是 DMS 和单端对谐振器的组合。其最大的优势在于能够实现低频区域的高抑制特性，同时芯片面积较小。研究表明，纵耦合型滤波器在低频区域的抑制性能比 Ladder 型滤波器高出 15 - 20dB，芯片面积可缩小 25% - 35%。然而，它也存在一些缺点，比如高频侧抑制较差，虽然有一些方法可以改善，如调整 DMS 相邻阶 IDT 极性关系和耦合电容，或者在 IDT 之间插入短路栅，但这些方法往往会带来带宽等方面的损失。例如，采用插入短路栅的方法改善高频侧抑制时，滤波器的带宽可能会缩小 10% - 15%。此外，纵耦合型滤波器的功率耐受较差，所以通常应用于 RX filter 和双工器多工器中的接收通道。

随着无线通信技术的不断发展，对 SAW 滤波器的性能要求也越来越高。Q 值、温漂、功率耐受等参数成为了滤波器工程师关注的重点。传统的 NSAW（normal SAW）技术在这些方面存在一定的局限性，其 Q 值仅几百，一般在 200 - 500 之间，TCF 在 -40ppm/℃左右（LT），功率耐受通常也仅能达到 30dBm 左右，难以满足一些对更低损耗、更高滚降、更高功率有需求的应用场景。特别是在 2001 年后，FBAR 滤波器实现大规模量产，对 SAW 滤波器形成了巨大的竞争压力。在这种情况下，SAW 工程师们积极探索，研发出了一系列性能更优的进阶技术，其中 TCSAW（Temperature Compensated SAW）和 TFSAW（Thin Film SAW）备受瞩目。

TCSAW 技术旨在改善 SAW 滤波器的温漂性能，业界发展出了溅射型 TCSAW 和键合型 TCSAW 两条不同的技术路线。溅射型 TCSAW 通过在 SiO2 层中传播 SAW 来平衡 TCF，但由于 SiO2 不具备压电特性，会导致 K2 恶化，因此需要对叠层甚至电极进行精细设计。这种技术的精确仿真更为复杂，传统的单模 COM 模型无法精准表征其性能，需要拓展到多模。同时，溅射型 TCSAW 还面临着横向模寄生的问题，工程师们通过假指加权、Piston - mode 结构等方法来抑制横向模。键合型 TCSAW 则是将 LN/LT 与具有小 CTE 的衬底材料键合，限制压电衬底的热膨胀，从而改善 TCF。相关实验数据表明，键合型 TCSAW 能够将 TCF 降低至 -20ppm/℃左右，相较于 NSAW 技术有了显著提升。这种技术的仿真模型和流片工艺与 NSAW 兼容，便于实现快速精确设计和高良率生产，但对晶圆键合的工艺要求较高，且采用蓝宝石作为衬底材料时，封装切割工艺也存在一定难点。

TFSAW 技术的出现，让 SAW 滤波器在性能上实现了重大突破。它通过低声速的 SiO2 层和高声速的 AlN 层，在 IDT 下方形成高低声阻抗叠层，将声波能量限制在表面，有效减小了能量泄露，使得谐振器 Q 值大幅提升。据测试，TFSAW 谐振器的 Bode Qmax 可达 3500 - 4000，是传统 NSAW 技术的 7 - 8 倍。TFSAW 技术的温漂系数可低至 -8ppm/℃，在大功率下表面温度也能显著降低，满足了 HPUE 的功率需求。例如，在高功率应用场景中，采用 TFSAW 技术的滤波器表面温度相较于 NSAW 技术可降低约 70% - 80%，从 187℃降低到 46℃左右。不过，TFSAW 也存在杂波问题，包括横向模和高阶模式。对于横向模，工程师们采用谐振器倾斜、Piston - mode + 栅格结构、孔径 / 假指加权等方法进行抑制；对于高阶模式，则通过合理设计结构参数来实现有效抑制。

随着 5G 以及 Wifi 6E/Wifi 7 技术的普及，对更高工作频率和更大带宽的滤波器需求日益增长。在这一背景下，XBAR 和 POSiC 等新型技术应运而生。XBAR 技术虽属于体声波一脉，但具有叉指换能器结构。它通过在悬浮的 LN 薄膜内激发垂直剪切振动 A1 模式，实现了较高的耦合和 Q 值。Resonant 基于 XBAR 技术设计的 wifi 滤波器，展现出了出色的性能，其通带损耗可低至 2dB，邻带抑制高达 40dB。POSiC 则采用 X 切 LiNbO3 和 4H - SiC 键合，通过选择不同面内取向激发 SH 和 S0 模式，其谐振频率和耦合系数表现优异，有望应用于 N79 和 wifi 6 频段滤波器。研究数据显示，基于 POSiC 技术设计的 SH - SAW 谐振器谐振频率可达 3.06GHz - 4.02GHz，K2 可达 27.8% - 34.4%；S0 - SAW 谐振器谐振频率可达 4.68GHz - 6.27GHz，K2 可达 14.3% - 16.6%。

SAW 滤波器作为无线通信领域的关键元件，从最初的基础结构发展到如今的多种高性能技术，凝聚了无数工程师的智慧与努力。在未来，随着无线通信技术的持续进步，相信 SAW 滤波器将不断创新，为我们带来更加卓越的通信体验。同时，面对国际头部厂商的技术优势，国内相关从业者应深入钻研，积极探索，努力突破技术壁垒，推动国产 SAW 滤波器技术迈向新的高度。

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