声表面滤波器

    1 前言
    声表面波—SAW（SurfaceAcousticWave）就是在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器——叉指换能器（IDT）。它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，把设计好的两个IDT的掩膜图案，利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。其工作原理是输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。
    2 SAW滤波器的特点
    SAW滤波器的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良（可选频率范围为10MHz～3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI）性能好、可靠性高、制作的器件体小量轻，其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的1/40和1/30左右，且能实现多种复杂的功能。SAW滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是所需基片材料的价格昂贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。受基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严的影响，日本富士通、三洋电器、丰田等少数几家掌握压电基片生产技术的制造商垄断了世界SAW滤波器市场。富士通公司控制了移动电话用小型射频SAW滤波器全球市场40％左右的份额，目前其年产量在1.5亿只以上，最小的产品尺寸已达到2.5mm×2mm，重22mg，集倒装式组件和专利谐振器型滤波器设计于一体，使滤波器性能突破性飞跃。三洋电器公司是世界最大的视听家电用SAW滤波器制造商之一，为保持其价格上的优势，该公司在我国深圳设有组装厂，年产5000万只。丰田公司主要生产移动通信用SAW滤波器，可提供30多种标准型产品，均适用于表面安装。
    3 SAW滤波器的用途
    SAW滤波器在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰等方面起到良好的作用，可以实现任意所需精度的幅频和相频特性的滤波，这是其它滤波器难以完成的。近年来国外已将SAW滤波器片式化，重量只有0.2g；另外，由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使SAW器件上使用上限频率提高到2.5GHz～3GHz。从而促使SAW滤波器在抗EMI领域获得更广泛的应用。
    SAW滤波器以极陡的过渡带使CATV的邻频传输得以实现，与隔频传输相比，频谱利用率提高了1倍。电视接收机如果不采用SAW滤波器，不可能稳定可靠地工作。事实上，早期SAW滤波器的主要应用领域就是以电视机为代表的视听家电产品，20世纪80年代末，由于电子信息特别是通信产业的高速发展，为SAW滤波器提供了一个广阔的市场空间，致使其产量和需求呈直线上升趋势。目前世界SAW滤波器的年产量在6亿只以上，其中移动通信等用小型化RFSAW滤波器就达4.3亿只。
    移动通信系统的发射端（TX）和接收端（RS）必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，由于其工作频段一般在800MHz～2GHz、带宽为17MHz～30MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受大功率、低成本、小型化等特点。由于工作频段、体积和性能价格比等方面的优势，SAW滤波器在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器望尘莫及的。
    在无线寻呼系统中，BP机接收到的RF信号需先经滤波再进行放大。滤波器的电气特性直接影响到接收信号的灵敏度和精确度，早期生产的BP机一般采用LC滤波器，但由于LC滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此现在逐渐被SAW滤波器所取代。
    随着Internet的迅猛发展，全球上网用户愈来愈多，但目前通过电话上网的最大缺点是带宽太窄（几十千赫），下载速度极慢，而CATV网络频率资源丰富，不少商家因此均在开发基于CATV网的宽带多媒体数据广播系统（如VOD等），通过CATV上网可使信息传输速度提高几十倍以上，在这些系统中都要用到高性能的SAW滤波器来解决邻频抑制问题。可见，SAW滤波器的市场前景十分可观。
    4 SAW滤波器的发展趋势
    4.1小型片式化
    SAW滤波器的小型片式化，是移动通信和其他便携式产品提出的基本要求。为缩小SAW滤波器的体积，通常采取三方面的措施：一是优化设计器件用芯片，使其做得更小；二是改进器件的封装形式，现已由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC（无引线陶瓷芯片载体）表面贴装；三是将不同功能的SAW滤波器封装在一起构成组合型器件以减小PCB面积，如应用于1.9GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双带式（可支持模拟和数字两种模式）便携式手机用SAW滤波器，均装有两个滤波器。
    4.2高频、宽带化
    为适应电子整机高频、宽带化的要求，SAW滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。研究表明，当压电基材选定之后，SAW滤波器的工作频率则由IDT电极条宽决定，IDT电极条愈窄，频率愈高。采用0.35μm～0.2μm级的半导体微细加工工艺，可制作出2GHz～3GHz的SAW滤波器。
    拓展SAW滤波器的带宽通常从优化设计IDT的电极结构入手。如将IDT按串联和并联形式连接成梯形若干级联的结构，输入/输出直接实现连接，采用0.4μm以下的微细加工技术，就可制作出用于无线局域网（LAN）的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器，带宽达100MHz；在多重模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝（PDC）和模拟电话的中频（IF）滤波。
    4.3降低插入损耗
    早期SAW滤波器的最大缺陷是插入损耗大，一般在15dB以上，这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。为满足现代通信系统及其它用途的要求，人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计，使器件的插入损耗降低到3dB～4dB，最低可达1dB。在众多压电材料研究成果中，最引人注目的是日本村田制作所发明的ZnO/蓝宝石层状结构基片材料，利用这种基片材料，已制造出1.5GHzPDC用射频SAW滤波器，其插入损耗仅1.2dB。

    表面波滤波器的结构示意图及符号如下图所示。它是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要没着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播，故称为声表面波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，别一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。
    声表面波滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺，制造简单，成本低，频率特性的一致性好，因此广泛应用于 各种电子设备中。
    在声表面波滤波器中，信号经过电-声-电的两次转换，由于基片的压电效应，则叉指换能器具有选频特性。显然，两个叉指换能器的共同作用，使声表面波滤波器的选频特性较为理想。下图为声表面波滤波器的幅频特性。

    在更换表面滤波器时，若一时找不到原型号、原规格及同类型的，而须用其它型号代用的，必须考虑机器是新机型还是旧机型。新机型图像中频为38MHz，伴音中频为31.5MHz 。而旧型机图像中频为37MHz，伴音中频为30.5MHz，相应的色副载波中频32.57MHz。因此，必须选择频率特性与原机型相吻合的声表面滤波器。另外，插入损耗也应与原滤波器一致，若插入损耗过大，则需进行增益补偿，一般可采用增加预中放级增益的方法来解决。