聲表面濾波器

表面波濾波器的結構示意圖及符號如下圖所示。它是以石英、鈮酸鋰或釺鈦酸鉛等壓電晶體為基片，經表 面拋光后在其上蒸發一層金屬膜，通過光刻工藝製成兩組具有能量轉換功能的交叉指型的金屬電極，分別稱為輸入叉指換能器和輸出叉指換能器。當輸入叉指換能器 接上交流電壓信號時，壓電晶體基片的表面就產生振動，並激發出與外加信號同頻率的聲波，此聲波主要沿著基片的表面的與叉指電極升起的方向傳播，故稱為聲表面濾波，其中一個方向的聲波被除數吸聲材料吸收，別一方向的聲波則傳送到輸出叉指換能器，被轉換為電信號輸出。

聲表面波濾波器具有工作頻率高、通頻帶寬、選頻特性好、體積小和重量輕等特點，並且可採用與集成電路相同的生產工藝，製造簡單，成本低，頻率特性的一致性好，因此廣泛應用於 各種電子設備中。

在聲表面波濾波器中，信號經過電-聲-電的兩次轉換，由於基片的壓電效應，則叉指換能器具有選頻特性。顯然，兩個叉指換能器的共同作用，使聲表面波濾波器的選頻特性較為理想。下圖為聲表面波濾波器的幅頻特性。

聲表面波—SAW（SurfaceAcousticWave）就是在壓電基片材料表面產生和傳播、且振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。SAW濾波器的基本結構是在具有壓電特性的基片材料拋光面上製作兩個聲電換能器——叉指換能器（IDT）。它採用半導體集成電路的平面工藝，在壓電基片表面蒸鍍一定厚度的鋁膜，把設計好的兩個IDT的掩膜圖案，利用光刻方法沉積在基片表面，分別作 為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，沿晶體表面傳播，輸出換能器再將接收到的聲信號變成電信號輸出。

SAW濾波器的主要特點是設計靈活性大、模擬/數字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇性優良（可選頻 率範圍為10MHz～3GHz）、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、製作的器件體小量輕，其體積、重量分別是陶瓷 介質濾波器的1/40和1/30左右，且能實現多種複雜的功能。SAW濾波器的特徵和優點，適應了現代通信系統設備及攜帶型電話輕薄短小化和高頻化、數字 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格昂貴，對基片的定向、切割、研磨、拋光和製造工藝要求高。受基片結晶工藝苛刻和製造精度 要求嚴的影響，日本富士通、三洋電器、豐田等少數幾家掌握壓電基片生產技術的製造商壟斷了世界SAW濾波器市場。富士通公司控制了行動電話用小型射頻 SAW濾波器全球市場40%左右的份額，目前其年產量在1.5億隻以上，最小的產品尺寸已達到2.5mm×2mm，重22mg，集倒裝式組件和專利諧振器 型濾波器設計於一體，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濾波器製造商之一，為保持其價格上的優勢，該公司在我國深圳設有 組裝廠，年產5000萬隻。豐田公司主要生產移動通信用SAW濾波器，可提供30多種標準型產品，均適用於表面安裝。

SAW濾波器在抑制電子信息設備高次諧波、鏡像信息、發射漏泄信號以及各類寄生雜波干擾等方面起到 良好的作用，可以實現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，由於 採用了新的晶體材料和最新的精細加工技術，使SAW器件上使用上限頻率提高到2.5GHz～3GHz。從而促使SAW濾波器在抗EMI領域獲得更廣泛的應 用。

SAW濾波器以極陡的過渡帶使CATV的鄰頻傳輸得以實現，與隔頻傳輸相比，頻譜利用率提高了1 倍。電視接收機如果不採用SAW濾波器，不可能穩定可靠地工作。事實上，早期SAW濾波器的主要應用領域就是以電視機為代表的視聽家電產品，20世紀80 年代末，由於電子信息特別是通信產業的高速發展，為SAW濾波器提供了一個廣闊的市場空間，致使其產量和需求呈直線上升趨勢。目前世界SAW濾波器的年產 量在6億隻以上，其中移動通信等用小型化RFSAW濾波器就達4.3億隻。

移動通信系統的發射端（TX）和接收端（RS）必須經過濾波器濾波后才能發揮作用，由於其工作頻段 一般在800MHz～2GHz、帶寬為17MHz～30MHz，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、低成本、小型化等特點。由 於工作頻段、體積和性能價格比等方面的優勢，SAW濾波器在移動通信系統的應用中獨佔鰲頭，這是壓電陶瓷濾波器和單片晶體濾波器望塵莫及的。

在無線尋呼系統中，BP機接收到的RF信號需先經濾波再進行放大。濾波器的電氣特性直接影響到接收信號的靈敏度和精確度，早期生產的BP機一般採用LC濾波器，但由於LC濾波器的調試複雜，選擇性和穩定性又較差，因此現在逐漸被SAW濾波器所取代。

隨著Internet的迅猛發展，全球上網用戶愈來愈多，但目前通過電話上網的最大缺點是帶寬太窄（幾十千赫），下載速度極慢，而CATV網路頻率資源豐富，不少商家因此均在開發基於CATV網的寬頻多媒體數據廣播系統（如VOD等），通過CATV上 網可使信息傳輸速度提高几十倍以上，在這些系統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。

SAW濾波器的小型片式化，是移動通信和其他攜帶型產品提出的基本要求。為縮小SAW濾波器的體 積，通常採取三方面的措施：一是優化設計器件用晶元，使其做得更小；二是改進器件的封裝形式，現已由傳統的圓形金屬殼封裝改為方形或長方形扁平金屬封裝或 LCCC（無引線陶瓷晶元載體）表面貼裝；三是將不同功能的SAW濾波器封裝在一起構成組合型器件以減小PCB面積，如應用於1.9GHzPCS終端 60MHz帶寬的雙頻段SAW濾波器以及近來富士通公司開發的雙帶式（可支持模擬和數字兩種模式）攜帶型手機用SAW濾波器，均裝有兩個濾波器。

為適應電子整機高頻、寬頻化的要求，SAW濾波器也必須提高工作頻率和拓展帶寬。研究表明，當壓電 基材選定之後，SAW濾波器的工作頻率則由IDT電極條寬決定，IDT電極條愈窄，頻率愈高。採用0.35μm～0.2μm級的半導體微細加工工藝，可制 作出2GHz～3GHz的SAW濾波器。

拓展SAW濾波器的帶寬通常從優化設計IDT的電極結構入手。如將IDT按串聯和並聯形式連接成梯 形若干級聯的結構，輸入/輸出直接實現連接，採用0.4μm以下的微細加工技術，就可製作出用於無線區域網（LAN）的2.5GHz梯形結構諧振式SAW 濾波器，帶寬達100MHz；在多重模式濾波器中，採用縱向連接的濾波器帶寬要比橫向耦合型濾波器大一些，因此被廣泛用於蜂窩電話和尋呼機的RF濾波，而 後者具有陡削的窄帶特性，可用於個人數字蜂窩（PDC）和模擬電話的中頻（IF）濾波。

早期SAW濾波器的最大缺陷是插入損耗大，一般在15dB以上，這對於要求低功耗的通信設備特別是 接收前端是無法接受的。為滿足現代通信系統及其它用途的要求，人們通過開發高性能的壓電材料和改進IDT設計，使器件的插入損耗降低到3dB～4dB，最 低可達1dB。在眾多壓電材料研究成果中，最引人注目的是日本村田製作所發明的ZnO/藍寶石層狀結構基片材料，利用這種基片材料，已製造出 1.5GHzPDC用射頻SAW濾波器，其插入損耗僅1.2dB。