SAW和BAW滤波器的分析

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。

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。

SAW：成熟且仍在发展

声表面波（SAW）滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身，不仅可实现宽带宽，其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。因为SAW滤波器制作在晶圆上，所以可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上，且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。

存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及 “发电机” 。当对这种晶体施以电压，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时，机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷，使电流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的这种转换的能量损耗极低，无论电/机还是机/电能量转换，效率都可高达99.99%。

在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内，对声波进行导限以产生极高品质因数（Q值可达数千）的驻波（standing waves）。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。

在一款基础SAW滤波器（图1）中，电输入信号通过间插的金属交指型换能器（IDT）转换为声波，这种IDT是在诸如石英、钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）等压电基板上形成的。在一款非常小设备内，IDT的低速特性非常适合众多波长通过。

 

 

图1 ：基本SAW滤波器

但SAW滤波器有局限性。高于约1GHz时，其选择性降低；在约2.5GHz，其使用仅限于对性能要求不高的应用。SAW器件易受温度变化的影响，是个老大难问题：温度升高时，其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。

一种替代方法是使用温度补偿（TC-SAW）滤波器，它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。温度未补偿SAW器件的频率温度系数（TCF）通常约为-45ppm/℃，而TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层， 所以，TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也更高，但仍比体声波（BAW）滤波器便宜。

高性能BAW

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用，高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势（图2）。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）。

 

 

图2 ：高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势

不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播（图3）。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。

 

 

图3：BAW滤波器内的声波垂直传播。

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（图4）。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

 

 

图4：BAW–SMR器件。

因这两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波，它们的损耗都非常低。在微波频率，BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高，可达：2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处，它也有极好的抑制和插入损耗性能。