声学滤波器

yumeii

声波滤波器技术不断演进，迎接全球向 4G 网络迁移过程中遭遇的挑战。在本篇帖子中，您将了解声表面波和体声波滤波器技术。今天，这两项技术被用于解决移动设备滤波技术的最大难题。


声表面波：虽然成熟，但仍在发展的技术


声表面波滤波器广泛用于  2G 和 3G 接收器前端、双工器以及接收滤波器。声表面波滤波器综合了低插入损耗与良好抑制性能，可以达到大带宽，并且与传统空腔滤波器和陶瓷滤波器（在第 1 章有介绍）相比，其体积只有前者的零头。


由于声表面波滤波器在晶圆上组装，因此可以低成本大批量生产。另外，声表面波技术还可将不同频带的滤波器和双工器集成到一块芯片，并且因此增加的装配工序很少，甚至完全不需要。


在声学滤波器中，具有一定对称性的晶体的压电效应成为“马达”和 “发电机”。当对晶体施加一个电压时，晶体将发生机械形变，将电能转化成机械能。当晶体受到机械压缩或拉伸时，情况正好相反。晶体结构的反面形成电荷，使电流流入端子和/或在端子间形成电压。这种电能与机械能之间的转换只会造成极低的能量损耗，双向都可达到极高效率。


在固体材料中，交替的机械形变产生声波，其传播速度在 3,000 至 12,000 米/秒。在声学滤波器中，声波受限形成驻波，质量因子极高，可以达到数千。这些高质量因子的谐振成为声学滤波器频率选择和降低损耗的基础。


在基本的声表面波滤波器中（参见图1）中，在石英、钽酸锂 (LiTaO3) 或铌酸锂 (LiNbO3) 等构成的压电衬底上，通过金属叉指换能器将电输入信号转化成声波。由于这种声波的速度较慢，因此能使许多的波长通过超小尺寸器件的内部数字能量转换器。





声表面波的一个主要优势是能够极好地满足最高 1.9 GHz 标准滤波器应用，包括 GSM、CDMA 和 3G 等标准频带，以及部分 4G 频带。另外，目前采用晶圆级封装等技术缩小声表面波滤波器的体积，这使得多个频带的滤波器和双工器都可集成到一块芯片。随着智能手机功能的不断丰富，这一点也越发重要。


不过，声表面波滤波器也有局限性。在频率高于大约 1 GHz 时，这种滤波器的选择度下降；在频率达到大约 2.5 GHz 时，声表面波仅限于中等性能需求的应用。


另外，声表面波对温度非常敏感。在较高温度下，衬底材料的硬度易于下降，声波速度也因此下降。当温度上升时，声表面波滤波器的频响最大可能下降 4 MHz。由于保护频带越来越窄，并且消费设备的指定工作温度范围较大（通常为 -20℃ 至 85℃），因此这种局限性的影响越来越严重。


替代方案之一是使用 Qorvo 的低温漂和零温漂声表面波滤波器，包括为数字能量转换器结构增加涂层，以加强高温硬度。无补偿的声表面波滤波器的频率温度系数通常约为 -45 ppm/℃，而低温漂声表面波滤波器可将这一数值降至 -15 至 -25 ppm/℃。对于最为严格的应用，零温漂声表面波滤波器可将这一数值基本降至 0 ppm/℃。不过，由于所需的掩膜层增加了一倍，因此低温漂和零温漂声表面波滤波器更为复杂，也因此生产成本更加高昂⸺但仍不及体声波滤波器。


体声波：高性能


虽然声表面波滤波器以及 Qorvo 的低温漂和零温漂声表面波滤波器能够很好的适用于最高约 1.5 GHz 的应用，但通常体声波滤波器能够在更高频率等级，以更低的插入损耗，提供出众的性能（更高质量因子）。


通过使用体声波技术，能够开发边缘斜率极高和抑制能力优秀的窄带滤波器。这使得体声波成为解决许多干涉难题的首选技术。体声波这些优势的工作频率约 1.5 GHz，使其与声表面波技术的互补（后者在较低频率下更为有效）。体声波可以处理的频率高达 6 GHz，在频率高于 1.9 GHz 的新型 LTE 频带中多有使用。另外，对于 LTE/Wi-Fi 共存滤波器，体声波也非常有效。


再者，体声波滤波器的尺寸随着频率的升高而降低，这使得体声波滤波器成为适用于最严格的 3G 和 4G 应用的理想滤波器。此外，即使在宽带宽，体声波的设计对温度变化的敏感性也低得多。不同于声表面波滤波器，体声波滤波器的声波纵向传播（参见图2）。


在采用石英晶体作为衬底的体声波谐振器中，石英上下表面的金属片激励形成声波，声波从顶面跳跃至底面，形成驻波。谐振频率取决于板材厚度和电极质量。在体声波滤波器发挥作用的高频率，压电层必须只有几微米厚，谐振器结构需要采用薄膜沉积和微加工技术，在载波衬底上完成。





为防止声波逃逸进入衬底，将不同硬度和密度的薄层交替叠加，形成布拉格声学反射腔。最终形成的谐振器被称为“固体装配型体声
波谐振器”(BAW-SMR)。


布拉格反射板是一种由不同折射率的材料交替叠加构成的多层结构。


另外，还有一种替代方法被称为“薄膜体声波谐振器”(FBAR)，这种方法在有效区域下方蚀刻出一个空腔，形成悬挂膜结构。图 3 是固体装配型体声波谐振器与薄膜体声波的设计对比。





这两种类型的体声波滤波器都能达到非常低的损耗，这是因为二者的声能密度都非常高，并且二者的结构都能有效地捕获声波。二者可以达到的质量因子高于微波频率下使用的合理尺寸的其他滤波器类型：在 2 GHz 时高达 2,500。这带来了超高的抑制能力，减少了插入损耗，甚至在临界的通带边缘也不例外。


薄膜体声波谐振器与固体装配型体声波谐振器的基本差别在于声能的捕获方式。对于薄膜体声波谐振器，谐振器双面都存在空气/ 晶体界面，这确保了主要声能模态被正确捕获。对于固体装配型体声波谐振器，位于谐振器下方的布拉格反射板可以有效地捕获声能模态。


二者之间的另一个主要区别在于设备产生热量的导热通路。在固体装配型体声波谐振器，有一条导热通路通向衬底，并通过衬底散热。在薄膜体声波谐振器，由于谐振器每面都有气隙，因此导热通路较弱。


由于体声波滤波器带来较低的插入损耗，因此有助于补偿单台智能手机支持多频带带来的较高损耗。损耗的降低不仅改善了信号的接收性能，而且有助延长电池寿命。对于上行和下行链路隔离极小的应用，以及相邻频带高度拥挤但又需要衰减的情况，体声波表现优秀。


尽管体声波本身的温漂只有标准声表面波的大约一半，但有时这种优势并不充分。针对这些应用，Qorvo 创立了零温漂体声波技术，可以实现温漂基本达到 0 ppm/℃，与零温漂声表面波达到的性能相似。

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