1、聲外表波濾波器在通信電路中的應(yīng)用摘要隨著半導(dǎo)體工藝的迅速開展，光刻精度進(jìn)一步提高，使得聲外表波濾波器超 小型化成為現(xiàn)實(shí)，而通信技術(shù)的快速開展，對聲外表波濾波器提出的性能要求也 越來越高。聲外表濾波器簡稱 SAWF或SAW,是利用壓電陶瓷、花酸鋰、石英 等壓電晶體振蕩器材料的壓電效應(yīng)和聲外表波傳播的物理特性制成的一種換能 式無源帶通濾波器，它用于電視機(jī)和錄像機(jī)的中頻輸入電路中作選頻元件，取代了中頻放大器的輸入吸收回路和多級調(diào)諧回路。它是在一塊具有壓電效應(yīng)的材料 基片上蒸發(fā)一層金屬膜，然后經(jīng)光刻，在兩端各形成一對叉指形電極組成。 當(dāng)在 發(fā)射換能器上加上信號電壓后，就在輸入叉指電極間形成一個(gè)電場使壓

2、電材料發(fā) 生機(jī)械振動即超聲波以超聲波的形式向左右兩邊傳播， 向邊緣一側(cè)的能量由 吸聲材料所吸收。在接收端，由接收換能器將機(jī)械振動再轉(zhuǎn)化為電信號，并由叉指形電極輸出。聲外表波器件因其體積小、抗輻射能力強(qiáng)、高速、低功耗和高可 靠性等優(yōu)點(diǎn)，在通信、雷達(dá)和電子對抗中得到了廣泛的應(yīng)用， 尤其是它獨(dú)有的高 頻特性，越來越受到重視。在追求高效率、低插入損耗、高溫度穩(wěn)定的同時(shí)，中 心頻率和通帶寬度的可調(diào)節(jié)性也成為研究熱點(diǎn)之一。關(guān)鍵詞：聲外表波，濾波器，無線通信目 錄1緒論12 SAW濾波器根本理論12.1SAW濾波器的簡介12.2SAW濾波器的結(jié)構(gòu)與原理12.3SAW波濾波器的特點(diǎn)32.4SAW濾波器的應(yīng)用3

3、3無線通信中用SAW濾波器43.1 等效電路分析53.2 濾波器的設(shè)計(jì)6總結(jié)7致謝8參考文獻(xiàn)81緒論隨著無線移動通信技術(shù)的開展，人們對移動的需求直線上升。為規(guī)移動通信 市場，國際上建立了幾種公用通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如美國移動通信系統(tǒng) （AMPS）、擴(kuò) 展總路線通信系統(tǒng)（ETACS）、全球移動系統(tǒng)（GSM）等。以上各通信系統(tǒng)所使用的 頻率圍均不一樣，但為擴(kuò)大通信容量， 與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，它們的射頻頻率 都較高，使用帶寬較寬，且發(fā)射端和接收端的間隔較窄。因此，各系統(tǒng)對關(guān)鍵器 件即濾波器的濾波頻率性能都有嚴(yán)格的要求。聲外表波（Surface Acoustic WaveSAW）濾波器是一種新型的信號處理

4、器件，可以實(shí)現(xiàn)任意精度的頻率特性，這是 其他射頻濾波器難以實(shí)現(xiàn)的，故 SAW濾波器在電子信息領(lǐng)域，特別在通信中得 到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著 SAW濾波器朝著小型片式化、高頻寬帶化、低插 損、高可靠性和外表貼裝等方向的開展，更將使SAW濾波器技術(shù)在各種信號處理、通信等領(lǐng)域越來越具有吸引力。2 SAW濾波器根本理論2.1 SAW濾波器的簡介聲外表波SAWSuRFace Acoustic Wave就是在壓電基片材料外表產(chǎn)生并 傳播、且其振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。SAW濾波器的根本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個(gè)聲電換能器一一*指換能器IDT。它采用半導(dǎo)體集成電路

5、的平面工藝，在壓電基片外表蒸鍍一定 厚度的鋁膜，再把設(shè)計(jì)好的兩個(gè)IDT的掩膜圖案，利用光刻方法沉積在基片外 表，分別用作輸入換能器和輸出換能器。其工作原理是：輸入換能器將電信號變 成聲信號，沿晶體外表傳播，輸出換能器再將接收到的聲信號變成電信號輸出。2.2 SAW濾波器的結(jié)構(gòu)與原理SAW是在壓電基片材料外表產(chǎn)生并傳播，且振幅隨著深入基片材料的深度增加而迅速減少的一種彈性波。SAW濾波器的根本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個(gè)聲電換能器一叉指換能器（Interdigital Transducer,IDT）,分別用作發(fā)射換能器和接收換能器，如圖1所示。IDT1 壓電基片山戶 I /柚W

6、圖1 SAW濾波器機(jī)構(gòu)圖發(fā)射換能器將RF信號轉(zhuǎn)換為聲外表波，在基片外表上傳播，經(jīng)過一定的延 遲后，接收換能器將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 濾波過程是在電到聲和聲到電的 轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)，所以可以將SAW濾波器等效為一個(gè)兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)， 如圖2所示。 圖中H1(cd是發(fā)射(或輸入)叉指換能器IDT1的頻率響應(yīng),H2(是接收(或輸出)叉 指換能器IDT2的頻率響應(yīng)，H3 (說SAW在兩叉指換能器間的傳輸特性。設(shè)聲外 表波的波速是Vs,由于Vs是非色散性的，顯然H3(河等效為一個(gè)具有一定延時(shí) t0的全通時(shí)延網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L,如此有t0=L/Vs (1)H3(C) =A3exp

7、(-j 0/Vs)式中A3為常數(shù)，一般記為1。于是，SAW濾波器總的傳輸函數(shù)或頻率響 應(yīng)是H(cd)=H()H()H()應(yīng)用傅里葉變換特性，在分析中考慮|H3()|產(chǎn)困此，可以不計(jì)入)(3口 聲外表波濾波器的頻率響應(yīng)為 H (cd) = Hi()H()相應(yīng)的脈沖響應(yīng) h(t)為h (t)=h1(t)?h2 。圖2 SAW濾波器的等效圖2.3 SAW波濾波器的特點(diǎn)SAW濾波器的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時(shí)間偏差 和頻率選擇性優(yōu)良可選頻率圍為 10MHz3GHz、輸入輸出阻抗誤差小、傳 輸損耗小、抗電磁干擾EMI性能好、可靠性高、制作的器件體小量輕，其體 積、重量分別是陶瓷介質(zhì)

8、濾波器的1/40和1/30左右，且能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。 SAW濾波器的特征和優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備與便攜式輕薄短小化和高 頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之處是所需基片材料的價(jià) 格昂貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。受基片結(jié)晶工藝 苛刻和制造精度要求嚴(yán)的影響，日本富士通、三洋電器、豐田等少數(shù)幾家掌握壓 電基片生產(chǎn)技術(shù)的制造商壟斷了世界 SAW濾波器市場。富士通公司控制了移動 用小型射頻SAW濾波器全球市場40%左右的份額，目前其年產(chǎn)量在1.5億只以 上，最小的產(chǎn)品尺寸已達(dá)到 2.5mnrK2mm,重22mg,集倒裝式組件和專利諧振 器型濾波器設(shè)計(jì)于一體

9、，使濾波器性能突破性飛躍。三洋電器公司是世界最大的 視聽家電用SAW濾波器制造商之一，為保持其價(jià)格上的優(yōu)勢，該公司在我國設(shè) 有組裝廠，年產(chǎn)5000萬只。豐田公司主要生產(chǎn)移動通信用 SAW濾波器，可提 供30多種標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品，均適用于外表安裝。2.4 SAW濾波器的應(yīng)用SAW濾波器在抑制電子信息設(shè)備高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號以與各類寄生雜波干擾等方面起到良好的作用， 可以實(shí)現(xiàn)任意所需精度的幅頻和相頻 特性的濾波，這是其它濾波器難以完成的。近年來國外已將SAW濾波器片式化， 重量只有0.2g;另外，由于采用了新的晶體材料和最新的精細(xì)加工技術(shù)，使SAW器件上使用上限頻率提高到 2.5GHz3GH

10、z。從而促使SAW濾波器在抗EMI領(lǐng) 域獲得更廣泛的應(yīng)用。SAW濾波器以極陡的過渡帶使 CATV的鄰頻傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)，與隔頻傳輸相 比，頻譜利用率提高了 1倍。電視接收機(jī)如果不采用 SAW濾波器，不可能穩(wěn)定 可靠地工作。事實(shí)上，早期SAW濾波器的主要應(yīng)用領(lǐng)域就是以電視機(jī)為代表的 視聽家電產(chǎn)品，20世紀(jì)80年代末，由于電子信息特別是通信產(chǎn)業(yè)的高速開展， 為SAW濾波器提供了一個(gè)廣闊的市場空間，致使其產(chǎn)量和需求呈直線上升趨勢。 目前世界SAW濾波器的年產(chǎn)量在6億只以上，其中移動通信等用小型化 RFSAW 濾波器就達(dá)4.3億只。移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端TX和接收端RS必須經(jīng)過濾波器濾波后才能 發(fā)揮作用，由

11、于其工作頻段一般在 800MHz2GHz、帶寬為17MHz30MHz, 故要求濾波器具有低插損、高阻帶抑制和高鏡像衰減、承受大功率、低本錢、小 型化等特點(diǎn)。由于工作頻段、體積和性能價(jià)格比等方面的優(yōu)勢，SAW濾波器在移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭，這是壓電陶瓷濾波器和單片晶體濾波器望塵莫 與的。在無線尋呼系統(tǒng)中，BP機(jī)接收到的RF信號需先經(jīng)濾波再進(jìn)展放大。濾波 器的電氣特性直接影響到接收信號的靈敏度和準(zhǔn)確度，早期生產(chǎn)的BP機(jī)一般采用LC濾波器，但由于LC濾波器的調(diào)試復(fù)雜，選擇性和穩(wěn)定性又較差，因此現(xiàn) 在逐漸被SAW濾波器所取代。隨著Internet的迅猛開展，全球上網(wǎng)用戶愈來愈多，但目前通過上網(wǎng)的

12、最大 缺點(diǎn)是帶寬太窄幾十千赫，下載速度極慢，而 CATV網(wǎng)絡(luò)頻率資源豐富， 不少商家因此均在開發(fā)基于 CATV網(wǎng)的寬帶多媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)如VOD等， 通過CATV上網(wǎng)可使信息傳輸速度提高幾十倍以上，在這些系統(tǒng)中都要用到高 性能的SAW濾波器來解決鄰頻抑制問題。可見，SAW濾波器的市場前景十分 可觀。3無線通信中用SAW濾波器在移動通信系統(tǒng)中，無論是數(shù)字式還是模擬式，具發(fā)射和接收信號的功能模塊電路結(jié)構(gòu)根本一樣，如圖3所示。在Tx端，在載波上對信號進(jìn)展調(diào)制，通過放 大電路將功率放大，然后經(jīng)過SAW濾波器濾波后由天線將信號發(fā)出，本通道要 求濾波器損耗低，可承受大功率；在 Rx端通道，天線接收到的微弱

13、信號經(jīng)SAW 濾波器過濾后，進(jìn)展放大解調(diào)，最終獲得所要的信息，要求濾波器損耗低，阻帶抑制高信號處理用制信號圖3 GSM系統(tǒng)的發(fā)射和接收模塊傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器一般具有損耗低、大帶寬以與較高的功率承受能力等特 點(diǎn)。但其致命的弱點(diǎn)是體積太大，難以適應(yīng)移動向微型化方向開展的趨勢。而 SAW濾波器具有體積小，適合于微型封、一致性好、無須調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。本文以 無線通信系統(tǒng)中移動用 SAW濾波器（其技術(shù)要求為：Tx端中心頻率f 0為902.5 MHz,帶寬為25 MHz; Rx端f 0為947.5 MHz,帶寬為25 MHz）為例，介紹梯型結(jié) 構(gòu)SAW濾波器的等效電路分析，并給出設(shè)計(jì)結(jié)果。3.1 等效電路分析采

14、用電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)構(gòu)的SAW濾波器由單端對SAW諧振器 來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容（LC）濾波器低損耗的優(yōu)點(diǎn)，而且 可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計(jì)射頻濾波器，工作頻率圍為3002400 MHz,相對帶寬為2%6% ,插入損耗小于5 dB, SAW諧振器與其等效 電路如圖4所示。等效于圖4SAW諧振器與等效電路圖圖4中C0為靜電容，C1、L1分別為動態(tài)電容、動態(tài)電感，等效電路忽略了動 態(tài)電阻。梯型SAW濾波器根本結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 梯形濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單端對諧振器時(shí)，使并臂諧振器的反諧振頻率與用臂諧振器的諧振頻率 一樣。其中frp、fap、frs、fa

15、s分別為并臂、用臂諧振器的諧振頻率和反諧振頻率。 根據(jù)梯型濾波器傳輸函數(shù)截止條件可知，用臂諧振器阻抗Zs和并臂諧振器阻抗ZP性質(zhì)一樣時(shí)，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP1時(shí)，形成通帶；Zs/ZP30 MHz,插損04.0 dB SS 30 dB,匹配阻抗為50 Q,取得了較為滿意的 結(jié)果。總結(jié)通過這次通信電路的課程設(shè)計(jì)，我掌握和了解了許多關(guān)于聲外表波濾波器、放大器與超差技術(shù)的有關(guān)知識，使我知識面展寬了，同時(shí)更讓我堅(jiān)信， 學(xué)好電子 技術(shù)方面的知識，對以后的開展是有很大的益處的，在這條路上一直走下去是前 途無量的。在聲外表波濾波器的設(shè)計(jì)中，單元電路的設(shè)計(jì)是其中的根底，只有對各局部 的作用

16、有深刻的了解，才可以設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)要求的電路。 超差技術(shù)在設(shè)計(jì)中是 關(guān)鍵的關(guān)鍵，通過放大輸入信號、減少干擾等完成整個(gè)設(shè)計(jì)。各個(gè)局部的相互聯(lián) 系，缺少了任何一局部，直接影響到整個(gè)設(shè)計(jì)的最終結(jié)果。在這次的設(shè)計(jì)過程中，對于如何進(jìn)展電路的設(shè)計(jì)，我還存在著許多的不足之 處，把握電路的連接方式上還過于稚嫩，但是，在以后的學(xué)習(xí)中，我會不斷地自 我完善，爭取能在電子技術(shù)這一方面能有所開展。致謝經(jīng)過近兩周的努力，終于將通信電路的課程設(shè)計(jì)完成了。 在這次課程設(shè)計(jì)中 受到了教師和同學(xué)的熱情幫助，特別是賀教師給予了我很多的幫助，教會我如何去分析課題，如何去查找資料和檢索文獻(xiàn)，怎么充分利用手中的資源。賀教師很和藹，平易近人，彳艮有而寸心，她對我們嚴(yán)格要求，讓我們不敢有半絲的馬虎，即使是一 個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號的錯(cuò)誤都讓我們立刻改正，對于我不懂