声表面波滤波器在通信电路中应用

声表面波滤波器在通信电路中的应用

摘要

随着半导体工艺的迅速发展，光刻精度进一步提高，使得声表面波滤波器超小型化成为现实，而通信技术的快速发展，对声表面波滤波器提出的性能要求也越来越高。声表面滤波器简称SAWF或SAW，是利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器，它用于电视机和录像机的中频输入电路中作选频元件，取代了中频放大器的输入吸收回路和多级调谐回路。它是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成。当在发射换能器上加上信号电压后，就在输入叉指电极间形成一个电场使压电材料发生机械振动（即超声波）以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧的能量由吸声材料所吸收。在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为电信号，并由叉指形电极输出。声表面波器件因其体积小、抗辐射能力强、高速、低功耗和高可靠性等优点，在通信、雷达和电子对抗中得到了广泛的应用，尤其是它独有的高频特性，越来越受到重视。在追求高效率、低插入损耗、高温度稳定的同时，中心频率和通带宽度的可调节性也成为研究热点之一。

关键词：声表面波，滤波器，无线通信

目录

1绪论 (1)

2 SAW滤波器基本理论 (1)

2.1SAW滤波器的简介 (1)

2.2SAW滤波器的结构及原理 (1)

2.3SAW波滤波器的特点 (3)

2.4SAW滤波器的应用 (3)

3 无线通信中用SAW滤波器 (4)

3.1等效电路分析 (5)

3.2滤波器的设计 (6)

总结 (8)

致谢 (9)

参考文献 (10)

1绪论

随着无线移动通信技术的发展，人们对移动电话的需求直线上升。为规范移动通信市场，国际上建立了几种公用通信系统标准，如美国移动通信系统(AMPS)、扩展总路线通信系统(ETACS)、全球移动系统(GSM)等。以上各通信系统所使用的频率范围均不相同，但为扩大通信容量，与传统的通信系统相比，它们的射频频率都较高，使用带宽较宽，且发射端和接收端的间隔较窄。因此，各系统对关键器件即滤波器的滤波频率性能都有严格的要求。声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)滤波器是一种新型的信号处理器件，可以实现任意精度的频率特性，这是其他射频滤波器难以实现的，故SAW滤波器在电子信息领域，特别在通信中得到了越来越广泛的应用。随着SAW滤波器朝着小型片式化、高频宽带化、低插损、高可靠性和表面贴装等方向的发展，更将使SAW滤波器技术在各种信号处理、通信等领域越来越具有吸引力。

2 SAW滤波器基本理论

2.1 SAW滤波器的简介

声表面波SAW（SuRFace Acoustic Wave）就是在压电基片材料表面产生并传播、且其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——*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，再把设计好的两个IDT的掩膜图案，利用光刻方法沉积在基片表面，分别用作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。

2.2 SAW滤波器的结构及原理

SAW是在压电基片材料表面产生并传播，且振幅随着深入基片材料的深度增加而迅速减少的一种弹性波。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(Interdigital Transducer,IDT)，分别用作发射换能器和接收换能器，如图1所示。

图1 SAW滤波器机构图

发射换能器将RF信号转换为声表面波，在基片表面上传播，经过一定的延迟后，接收换能器将声信号转换为电信号输出。滤波过程是在电到声和声到电的转换中实现，所以可以将SAW滤波器等效为一个两端口的无源网络，如图2所示。图中H1(ω)是发射(或输入)叉指换能器IDT1的频率响应, H2(ω)是接收(或输出)叉指换能器IDT2的频率响应, H3 (ω)是SAW在两叉指换能器间的传输特性。设声表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，显然H3(ω)可等效为一个具有一定延时t0的全通时延网络。若输入和输出叉指换能器中心间的距离为L，则有

t0=L/Vs (1)

H3(C) =A3 exp(-jωL0/V S)

式中A3为常数，一般记为1。于是，SAW滤波器总的传输函数（或频率响应）是

H(ω)=H1(ω)H3(ω)H2(ω)

应用傅里叶变换特性，在分析中考虑|H3(ω) |≈1，因此，可以不计入)(3ωH。声表面波滤波器的频率响应为H (ω) = H1(ω)H2(ω)，相应的脉冲响应h(t)为h (t)=h1(t)?h2 (t)。

H1(ω)H3(ω)H2(ω)

H(ω)

图2 SAW滤波器的等效图

2.3 SAW波滤波器的特点

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。

2.4 SAW滤波器的应用

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。

3 无线通信中用SAW滤波器

在移动通信系统中，无论是数字式还是模拟式，其发射和接收信号的功能模块电路结构基本相同，如图3所示。在Tx端，在载波上对信号进行调制, 通过放大电路将功率放大，然后经过SAW滤波器滤波后由天线将信号发出，本通道要

求滤波器损耗低，可承受大功率；在Rx端通道，天线接收到的微弱信号经SAW 滤波器过滤后，进行放大解调，最终获得所要的信息，要求滤波器损耗低，阻带抑制高。

图3 GSM系统的发射和接收模块

传统的介质滤波器一般具有损耗低、大带宽以及较高的功率承受能力等特点。但其致命的弱点是体积太大，难以适应移动电话向微型化方向发展的趋势。而SAW滤波器具有体积小，适合于微型封、一致性好、无须调整的优点。本文以无线通信系统中移动电话用SAW滤波器(其技术要求为：Tx端中心频率f 0为902.5 MHz，带宽为25 MHz；Rx端f 0为947.5 MHz，带宽为25 MHz)为例，介绍梯型结构SAW滤波器的等效电路分析，并给出设计结果。

3.1 等效电路分析

采用电网络分析与综合理论，将梯型结构的SAW滤波器由单端对SAW谐振器来代替网络中的各个单元。此结构具有电感电容(LC)滤波器低损耗的优点，而且可承受大功率，体积较小。这种结构一般用来设计射频滤波器，工作频率范围为300～2400 MHz，相对带宽为2％～6％, 插入损耗小于5 dB, SAW谐振器及其等效电路如图4所示。

图4 SAW谐振器及等效电路图

图4中C0为静电容，C1、L1分别为动态电容、动态电感，等效电路忽略了动态电阻。梯型SAW滤波器基本结构如图5所示。

图5 梯形滤波器结构

设计单端对谐振器时，使并臂谐振器的反谐振频率与串臂谐振器的谐振频率相同。其中frp、fap、frs、fas分别为并臂、串臂谐振器的谐振频率和反谐振频率。根据梯型滤波器传输函数截止条件可知，串臂谐振器阻抗Zs和并臂谐振器阻抗ZP性质相同时，形成阻带；Zs、ZP性质相反，且Zs/ZP>－1时，形成通带；Zs/ZP<－1时，形成过渡带；Zs/ZP=－1时的频率点为截止频率。

3.2 滤波器的设计

设计梯型结构滤波器，主要是对单端谐振器的设计，并协调好串臂和并臂谐振器的相互关系。谐振器的阻抗可用其谐振频率和反谐振频率来表示，即Z S=(ω2-ωrs2)/[jωC os(ω2-ωas2)] Z P=(ω2-ωrp2)/[jωC op(ω2-ωap2)]

式中ω rs=2πfrs, ω rp=2πfrp分别为串臂、并臂谐振角频率；ω ra=2π fra , ω ap=2π fap分别为串臂、并臂反谐振角频率；为使梯型滤波器的匹配阻抗为线性阻抗Rp，串、并臂阻抗应满足

Z s Z p=R02

谐振器的频率关系为fap≈frs，f0=frp=fas－f0。在通带频率范围内，Δ f=(fas －frp)/2，应满足

R02=1/(4π2 f 0s2 C0p)

式中一般取为50 Ω。单端对谐振器的静电容可由下式获得

C0=N(εr+ε0)W

式N中为IDT电极对数；W为IDT有效孔径；εr为基片材料的有效介电常数。由上述C0p/C0s的取值范围，根据上式取C0p、C0s的最优值，从而确定串、并臂谐振器的孔径和指条对数。根据电网络理论分析和SAW滤波器的传输函数，设计出了无线通信系统中移动电话用射频滤波器，基片采用具有高机电耦合系数的LiNbO3晶片。为提高滤波器阻带抑制特性，采用了多节串联的方法，并对各单端对谐振器进行了优化设计，其基本电路结构如图6所示。

图6梯型SAW滤波器电路结构示意图图7梯型SAW滤波器频率特性

设计得到的SAW滤波器频率特性如图7所示，其中心频率为947.5 MHz，3 dB 带宽＞30 MHz，插损≤4.0 dB，SS＞30 dB，匹配阻抗为50 Ω，取得了较为满意的结果。

通过这次通信电路的课程设计，我掌握和了解了许多关于声表面波滤波器、放大器与超差技术的有关知识，使我知识面展宽了，同时更让我坚信，学好电子技术方面的知识，对以后的发展是有很大的益处的，在这条路上一直走下去是前途无量的。

在声表面波滤波器的设计中，单元电路的设计是其中的基础，只有对各部分的作用有深刻的了解，才可以设计出符合设计要求的电路。超差技术在设计中是关键的关键，通过放大输入信号、减少干扰等完成整个设计。各个部分的相互联系，缺少了任何一部分，直接影响到整个设计的最终结果。

在这次的设计过程中，对于如何进行电路的设计，我还存在着许多的不足之处，把握电路的连接方式上还过于稚嫩，但是，在以后的学习中，我会不断地自我完善，争取能在电子技术这一方面能有所发展。

经过近两周的努力，终于将通信电路的课程设计完成了。在这次课程设计中受到了老师和同学的热情帮助，特别是贺老师给予了我很多的帮助，教会我如何去分析课题，如何去查找资料和检索文献，怎么充分利用手中的资源。贺老师很和蔼，平易近人，很有耐心，她对我们严格要求，让我们不敢有半丝的马虎，即使是一个标点符号的错误都让我们立刻改正，对于我不懂得知识和原理老师都耐心认真给我讲解。通过此次的课程设计，在贺老师的认真指导下，我不仅对我的各门专业基础课有了一次大致的复习，更加深了我对我们电子专业的认识。衷心地谢谢贺老师的精心指导还有同学的热情帮助。

参考文献

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[2] 张肃文高频电子线路［M］. 北京：高等教育出版社. 1984

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[4] 杨素行模拟电子技术基础简明教程［M］. 北京：高等教育出版社. 2002.2

[5] Ferrel G. Stremler. Introduction Communication Systems ［M］. 1997

[6] 杨素行模拟电子技术基础简明教程［M］. 北京：高等教育出版社. 2002.2

[7] 董在望通信电路原理［M］.1989.11

[8] 张桂花无线通信电路基础教程［M］.1988.4