【电路设计基础】SAW、BAW、FBAR滤波器详细介绍

winniewei 提交于 周三, 01/09/2019
【电路设计基础】SAW、BAW、FBAR滤波器详细介绍

滤波器定义

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电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除,得到一个特定频率的电源信号,或消除一个特定频率后的电源信号。

滤波器,顾名思义,是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念,在电子技术领域,“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用,被转换为电压或电流的时间函数,称之为各种物理量的时间波形,或者称之为信号。

设计师们肯定有过这种体会,射频干扰一直是无线通信的天敌,它要求设计师采取凌厉手段以束其就范。随着每台设备内所支持频段的日益增多,当今的无线设备必须要同时防范来自其它设备及自身的干扰信号。

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手机电路板

一款高端智能手机必须要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波,同时要滤波的还包括:Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收路径。必须对各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行抑制。要做到这点,一款多频段智能手机需要八或九个滤波器和八个双工器。如果没有声滤波技术,这将难以实现。

单单听到上述这么多组件,就会给人一种臃肿的感觉。但是很多通信系统发展到某种程度都会有小型化的趋势。一方面小型化可以让系统更加轻便和有效,另一方面,日益发展的IC制造技术可以用更低的成本生产出大批量的小型产品。

MEMS是这种小型产品的相关技术之一。MEMS可以检测环境的变化并通过微型电路产生相关反应。MEMS的主要部分包括sensor(微传感器)或actuator(微执行器)和transducer(转换装置),其中sensor可以检测某种物理,化学或生物的存在或强度,比如温度,压力,声音或化学成分,transducer会把一种energy转换成另外一种(比如从电信号到机械波)。 目前MEMS被广泛的利用在多个领域里。

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今天小E主要说说MEMS的几种RF相关应用产品SAW,BAW,FBAR filter,也是目前手机中最常用的几种filter。

(一)SAW滤波器

声表面波滤波器(SAWF)是利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电石英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,是一种采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料,利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的滤波专用器件。

声表面波(SAW)技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术领域,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。声表面波技术的发展相当迅猛,其应用领域从最开始的军用雷达发展到现在几乎遍及整个无线电通讯,特别是移动通讯技术的高速发展,更进一步地推动了声表面波技术的发展。

SAW滤波器广泛应用于彩色电视机、手机、GPS定位、卫星通讯和有线电视等电器设备。

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基本SAW滤波器

声表面波滤波器特性

1.性能稳定:可靠性高,抗干扰能力强,不易老化。

2.使用方便:装配时只需插入和焊接即可,无需调节等其他操作。

3.选择性好:选择性一般可以达到140dB左右,可确保图像的清晰度。

3.频带宽:动态范围大,并且中心频率不受信号强度的影响,能确保图像、彩电、声音的正常传输,不会相互干扰。

4.插入损耗较大:使用时需在前级加宽频带放大器,以补偿插入损耗。

SAW声表滤波器的特性,正适应了现代通信系统设备以及移动通讯轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。

但是SAW声表滤波器也有其不足之处:所需基片材料价格昂贵,另外对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高,受到基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严的影响。

(二)BAW滤波器

相比SAW filter,BAW filter更适合于高频率。跟SAW/TC-SAW filter一样,BAW filter的大小也随着频率增加而减少。另外,BAW filter有对温度变化不敏感,插入损耗小,带外衰减大(steep filter skirts)等优点。

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用,但高于1.5GHz时,BAW滤波器非常具有性能优势,如图。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外,即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也不那么敏感,同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边(filter skirt)。

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与SAW filter不同,声波在BAW filter里是垂直传播,如图。从名字也可以看出,SAW是surface, 沿着表面传播,BAW是bulk,物体内传播。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励, 使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量(mass)决定了共振频率。在BAW滤波器大显身手的高频,其压电层的厚度必须在几微 米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

为使声波不散漫到基板上,通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件。

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BAW-SMR器件

(三)FBAR滤波器

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fbar滤波器是 film bulk acoustic resonator滤波器的简称,译为薄膜腔声谐振滤波器,fbar滤波器不同于以前的滤波器,是使用硅底板、借助mems技术以及薄膜技术而制造出来的,现阶段的fbar滤波器已经具备了略高于普通saw滤波器的特性。

fbar滤波器在下一代无线通信和无线接入产品中的应用,当今的无线移动产品除了对体积,省电要求越来越高之外,更朝着多功能,多频段,多系统,多协议的融合与集成。  当今的无线移动产品除了对体积,省电要求越来越高之外,更朝着多功能,多频段,多系统,多协议的融合与集成的方向发展。如:gsm,cdma,wcdma与gps,bluetooth,wifi,wimax等不同功能组合在一台产品上。这对设计和大批量生产也提出了挑战,设计者选择方案时应考虑技术的成熟和可持续性。

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未来5年滤波器市场走向

整机越来越小,频率资源越来越拥挤,高性能的滤波器显得尤为重要。

BAW器件所需的制造工艺步骤是SAW的10倍,但因它们是在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此,BAW的成本仍高于SAW。然而,对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说,BAW是唯一可用方案。因此,BAW滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。

原文链接:https://www.sohu.com/a/220450539_629440

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