聲表面濾波器理論
來源：http://www.huaxiaqing.com 作者：konuaer 2012年08月30
聲表面濾波器基本理論
聲表面濾波器SAW是在壓電基片材料表面產(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濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個聲電換能器－叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)，分別用作發(fā)射換能器和接收換能器。
發(fā)射換能器將RF信號轉(zhuǎn)換為聲表面波，在基片表面上傳播，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)換中實現(xiàn)，所以可以將聲表面濾波器等效為一個兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中H1(ω)是發(fā)射(或輸入)叉指換能器IDT1的頻率響應(yīng), H2(ω)是接收(或輸出)叉指換能器IDT2的頻率響應(yīng)， H3 (ω)是SAW在兩叉指換能器間的傳輸特性。設(shè)聲表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，顯然H3(ω)可等效為一個具有一定延時t0的全通時延網(wǎng)絡(luò)。若輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L，則有
式中A3為常數(shù)，一般記為1。于是，聲表面濾波器總的傳輸函數(shù)（或頻率響應(yīng)）是應(yīng)用傅里葉變換特性，在分析中考慮1|)(|3≈ωH，因此，可以不計入)(3ωH。聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為
SAW濾波器
專業(yè)術(shù)語
標(biāo)稱頻率：通常是指中間頻率的標(biāo)稱值，用于做相對于標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率。
通帶寬度：這是一個頻率間隔，并確保這時的相對衰耗等于或低于指定的衰耗值
帶內(nèi)波動：這是指通帶內(nèi)達到最大衰減之間，最大和最小衰減耗的最大差值
插入損耗：這是區(qū)分濾波器插入和未插入時的衰耗值的，它可分為最小損耗和恒定損耗。最小損耗是指插入損耗的最小值，恒定損耗是指在標(biāo)稱頻率時的損耗。兩者都可作為插入損耗的參考標(biāo)準(zhǔn)，通常將最小損耗作為標(biāo)準(zhǔn)。
阻帶寬度：指相對衰耗等于或高于指定值的頻率間隔。
固定衰耗和帶寬：這是指在衰耗帶寬中保證的相對損耗和頻率間隔。
終端阻抗：這是電源阻抗或從濾波器側(cè)看的負載阻抗值，它通常被等效為一個電阻和電容的并聯(lián)。
群延時：它是相位對角頻率的微分值
群延時帶內(nèi)波動：在特定的通帶寬度中群延時的最大和最小群延時的最大差值
1． 產(chǎn)能力范圍如下所示：
2． 在聲表面波的最大額定值范圍內(nèi)使用
3． 不要用高于最大輸入電壓值的電壓，過高的電壓會加速產(chǎn)品特性的退化。
4． 在使用SAW器件前，要做好接地工作，從而盡量減小輸入和輸出端的耦合，否則將這種耦合造成器件的幅度和群延時波動。注意波頻為f = 1/T
5． 在輸入和輸出區(qū)之間成倍反射的聲表面波TTE波著附于主信號波上，會使主信號幅度和群延時產(chǎn)生抖動，從而增加端品間的失配度，而SAW應(yīng)該工作在給定的終端條件下。注意波頻為f = l /T
6． 注意不要在引腳施加太大的壓力
7． 存儲和運輸聲表面濾波器件的特定溫度必須低于85℃
8． 注意在焊接聲表面波產(chǎn)品的時候要防止施加電壓
9． 避免聲表面波作為獨立單元和被安裝在PC板上后被超聲波消磁。在聲表面波產(chǎn)品清洗時應(yīng)該仔細選擇清洗劑（器）
10．安裝表帖裝型聲表面波設(shè)備
10-1 嚴重的溫暖變化； 在嚴重的溫度變化情況下，焊接部分將出現(xiàn)爆裂，因為印刷線路板材和表面型聲表面波器件的陶瓷封裝有著不同溫度系數(shù)。如果要避免這種情況出現(xiàn)，請預(yù)先向我們咨詢溫度條件等情況。
10-2 來自自動焊接的震動；請注意，如果自動焊接過程給聲表面波設(shè)備太多機械震動將會器件的電特性將惡化，。
10-3 （因PC板變形而引起的壓力）如果PC 板在安裝了聲表面波設(shè)備后發(fā)生變形，機械應(yīng)力將會引起焊接部分脫落與設(shè)備封裝的開裂。
無線通信中用聲表面濾波器的研究
在移動通信系統(tǒng)中，無論是數(shù)字式還是模擬式，其發(fā)射和接收信號的功能模塊電路結(jié)構(gòu)基本相同，如圖3所示。在Tx端，在載波上對信號進行調(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R x端通道，天線接收到的微弱信號經(jīng)SAW濾波器過濾后，進行放大解調(diào)，最終獲得所要的信息，要求濾波器損耗低，阻帶抑制高。
傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器一般具有損耗低、大帶寬以及較高的功率承受能力等特點。但其致命的弱點是體積太大，難以適應(yīng)移動電話向微型化方向發(fā)展的趨勢。而聲表面濾波器具有體積小，適合于微型封、一致性好、無須調(diào)整的優(yōu)點。本文以無線通信系統(tǒng)中移動電話用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；R x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)計結(jié)果。
等效電路分析
采用電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)構(gòu)的SAW濾波器由單端對聲表面諧振器來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容(LC)濾波器低損耗的優(yōu)點，而且可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計射頻濾波器，工作頻率范圍為300～2 400 MHz，相對帶寬為2%～6%， 插入損耗小于5 dB。
設(shè)計單端對諧振器時，使并臂諧振器的反諧振頻率與串臂諧振器的諧振頻率相同。其中frp、fap、frs、fas分別為并臂、串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，串臂諧振器阻抗Zs和并臂諧振器阻抗ZP性質(zhì)相同時，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP>－1時，形成通帶；Zs/ZP<－1時，形成過渡帶；Zs/ZP=－1時的頻率點為截止頻率。
SAw濾波器的設(shè)計
設(shè)計梯型結(jié)構(gòu)濾波器[3, 4]，主要是對單端諧振器的設(shè)計，并協(xié)調(diào)好串臂和并臂諧振器的相互關(guān)系。諧振器的阻抗可用其諧振頻率
式中ω rs=2πfrs, ω rp=2πfrp分別為串臂、并臂諧振角頻率；ω ra=2π fra , ω ap=2π fap分別為串臂、并臂反諧振角頻率；為使梯型濾波器的匹配阻抗為線性阻抗R p，串、并臂阻抗應(yīng)滿足聲表面諧振器的頻率關(guān)系為fap≈frs，f0=frp=fas－f0。在通帶頻率范圍內(nèi)，Δ f=(fas－frp)/2，將式(4)、(5)代入式(6)，可化為式中一般取為50 Ω。單端對諧振器的靜電容可由下式獲得
設(shè)計得到的聲表面濾波器頻率特性如圖7所示，其中心頻率為947.5 MHz，3 dB帶寬>30 MHz，插損≤4.0 dB，SS>30 dB，匹配阻抗為50 Ω，取得了較為滿意的結(jié)果。
康華爾電子
聲表面濾波器SAW是在壓電基片材料表面產(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濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個聲電換能器－叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)，分別用作發(fā)射換能器和接收換能器。
發(fā)射換能器將RF信號轉(zhuǎn)換為聲表面波，在基片表面上傳播，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)換中實現(xiàn)，所以可以將聲表面濾波器等效為一個兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中H1(ω)是發(fā)射(或輸入)叉指換能器IDT1的頻率響應(yīng), H2(ω)是接收(或輸出)叉指換能器IDT2的頻率響應(yīng)， H3 (ω)是SAW在兩叉指換能器間的傳輸特性。設(shè)聲表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，顯然H3(ω)可等效為一個具有一定延時t0的全通時延網(wǎng)絡(luò)。若輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L，則有
式中A3為常數(shù)，一般記為1。于是，聲表面濾波器總的傳輸函數(shù)（或頻率響應(yīng)）是應(yīng)用傅里葉變換特性，在分析中考慮1|)(|3≈ωH，因此，可以不計入)(3ωH。聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為
SAW濾波器
專業(yè)術(shù)語
標(biāo)稱頻率：通常是指中間頻率的標(biāo)稱值，用于做相對于標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率。
通帶寬度：這是一個頻率間隔，并確保這時的相對衰耗等于或低于指定的衰耗值
帶內(nèi)波動：這是指通帶內(nèi)達到最大衰減之間，最大和最小衰減耗的最大差值
插入損耗：這是區(qū)分濾波器插入和未插入時的衰耗值的，它可分為最小損耗和恒定損耗。最小損耗是指插入損耗的最小值，恒定損耗是指在標(biāo)稱頻率時的損耗。兩者都可作為插入損耗的參考標(biāo)準(zhǔn)，通常將最小損耗作為標(biāo)準(zhǔn)。
阻帶寬度：指相對衰耗等于或高于指定值的頻率間隔。
固定衰耗和帶寬：這是指在衰耗帶寬中保證的相對損耗和頻率間隔。
終端阻抗：這是電源阻抗或從濾波器側(cè)看的負載阻抗值，它通常被等效為一個電阻和電容的并聯(lián)。
群延時：它是相位對角頻率的微分值
群延時帶內(nèi)波動：在特定的通帶寬度中群延時的最大和最小群延時的最大差值
1． 產(chǎn)能力范圍如下所示：
2． 在聲表面波的最大額定值范圍內(nèi)使用
3． 不要用高于最大輸入電壓值的電壓，過高的電壓會加速產(chǎn)品特性的退化。
4． 在使用SAW器件前，要做好接地工作，從而盡量減小輸入和輸出端的耦合，否則將這種耦合造成器件的幅度和群延時波動。注意波頻為f = 1/T
5． 在輸入和輸出區(qū)之間成倍反射的聲表面波TTE波著附于主信號波上，會使主信號幅度和群延時產(chǎn)生抖動，從而增加端品間的失配度，而SAW應(yīng)該工作在給定的終端條件下。注意波頻為f = l /T
6． 注意不要在引腳施加太大的壓力
7． 存儲和運輸聲表面濾波器件的特定溫度必須低于85℃
8． 注意在焊接聲表面波產(chǎn)品的時候要防止施加電壓
9． 避免聲表面波作為獨立單元和被安裝在PC板上后被超聲波消磁。在聲表面波產(chǎn)品清洗時應(yīng)該仔細選擇清洗劑（器）
10．安裝表帖裝型聲表面波設(shè)備
10-1 嚴重的溫暖變化； 在嚴重的溫度變化情況下，焊接部分將出現(xiàn)爆裂，因為印刷線路板材和表面型聲表面波器件的陶瓷封裝有著不同溫度系數(shù)。如果要避免這種情況出現(xiàn)，請預(yù)先向我們咨詢溫度條件等情況。
10-2 來自自動焊接的震動；請注意，如果自動焊接過程給聲表面波設(shè)備太多機械震動將會器件的電特性將惡化，。
10-3 （因PC板變形而引起的壓力）如果PC 板在安裝了聲表面波設(shè)備后發(fā)生變形，機械應(yīng)力將會引起焊接部分脫落與設(shè)備封裝的開裂。
無線通信中用聲表面濾波器的研究
在移動通信系統(tǒng)中，無論是數(shù)字式還是模擬式，其發(fā)射和接收信號的功能模塊電路結(jié)構(gòu)基本相同，如圖3所示。在Tx端，在載波上對信號進行調(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R x端通道，天線接收到的微弱信號經(jīng)SAW濾波器過濾后，進行放大解調(diào)，最終獲得所要的信息，要求濾波器損耗低，阻帶抑制高。
傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器一般具有損耗低、大帶寬以及較高的功率承受能力等特點。但其致命的弱點是體積太大，難以適應(yīng)移動電話向微型化方向發(fā)展的趨勢。而聲表面濾波器具有體積小，適合于微型封、一致性好、無須調(diào)整的優(yōu)點。本文以無線通信系統(tǒng)中移動電話用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；R x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)計結(jié)果。
等效電路分析
采用電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)構(gòu)的SAW濾波器由單端對聲表面諧振器來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容(LC)濾波器低損耗的優(yōu)點，而且可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計射頻濾波器，工作頻率范圍為300～2 400 MHz，相對帶寬為2%～6%， 插入損耗小于5 dB。
設(shè)計單端對諧振器時，使并臂諧振器的反諧振頻率與串臂諧振器的諧振頻率相同。其中frp、fap、frs、fas分別為并臂、串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，串臂諧振器阻抗Zs和并臂諧振器阻抗ZP性質(zhì)相同時，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP>－1時，形成通帶；Zs/ZP<－1時，形成過渡帶；Zs/ZP=－1時的頻率點為截止頻率。
SAw濾波器的設(shè)計
設(shè)計梯型結(jié)構(gòu)濾波器[3, 4]，主要是對單端諧振器的設(shè)計，并協(xié)調(diào)好串臂和并臂諧振器的相互關(guān)系。諧振器的阻抗可用其諧振頻率
式中ω rs=2πfrs, ω rp=2πfrp分別為串臂、并臂諧振角頻率；ω ra=2π fra , ω ap=2π fap分別為串臂、并臂反諧振角頻率；為使梯型濾波器的匹配阻抗為線性阻抗R p，串、并臂阻抗應(yīng)滿足聲表面諧振器的頻率關(guān)系為fap≈frs，f0=frp=fas－f0。在通帶頻率范圍內(nèi)，Δ f=(fas－frp)/2，將式(4)、(5)代入式(6)，可化為式中一般取為50 Ω。單端對諧振器的靜電容可由下式獲得
設(shè)計得到的聲表面濾波器頻率特性如圖7所示，其中心頻率為947.5 MHz，3 dB帶寬>30 MHz，插損≤4.0 dB，SS>30 dB，匹配阻抗為50 Ω，取得了較為滿意的結(jié)果。
康華爾電子
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