将SAW过滤器用于无线标准应用中

滤波器一直是射频信号路径中必不可少的组成部分。过去，工程师必须熟练掌握滤波器设计理论和实践的复杂性，才能创建基于分立元件的真实滤波器。然而，对于今天的无线设备和应用，使用这种方法越来越难以满足所需的滤波器规格，因为RF频谱变得更加拥挤并被切成更小的条子，而工作频率增加到远远超过GHz阈值。实际情况是，使用分立元件的滤波器无法满足当今许多RF产品的性能，一致性（由于寄生效应），尺寸和成本需求。

幸运的是，在过去几十年中开发出了类似单片的器件，如表面声波（SAW）滤波器，这些器件提供了所需的功能和特性。对于SAW滤波器，工程师主要关注的是将滤波器选择为单个完整实体，而不是滤波器设计。 SAW滤波器提供了性能，尺寸和成本的有利组合，并广泛用于体现Wi-Fi，LTE，GSM，蓝牙和许多其他无线标准的应用中。

多频段智能手机可以拥有十个或更多SAW滤波器，可以在系统级以及高度本地化的子系统中实现多种作用：宽带，窄带，通带，低通和高通。电路（图1）。因此，工程师的过滤器相关活动已经从复杂的设计和相关的测试/调试工作转移到选择合适的可用过滤器（这对大多数工程师来说是一件好事）。

图1：SAW滤波器在无线设备中大量使用，用于前端滤波，窄带多频带滤波和消除特定干扰源;它们可以是窄的或宽的，具有带通，低通和高通FIR特性。 （由Taiyo Yuden提供）

SAW滤波器基础知识

SAW器件将电子RF信号能量转换为声学域中的机械能。该滤波器基于用作衬底的压电材料，例如石英，铌酸锂，钽酸锂或镧镓硅酸盐。该基板的两端都覆盖有雕刻金属层作为电声换能器，由梳状指形成为叉指式换能器（IDT），如图2所示。

图2：压电基板两端的类似梳状的叉指式换能器将撞击电能转换为声 - 机械能，然后能量波穿过表面，在那里转换回电气IDT在接收端的能量。 （由南佛罗里达大学提供）

电信号被施加到设备的一端，由源IDT转换为声能并在压电材料的表面上发射，在那里它作为表面传播 - 声波（瑞利勋爵之后称为瑞利波，详细分析了它们）。然后通过类似但不相同的IDT将能量转换回远端的电子信号，设计用于捕获能量。幸运的是，整体电气/声学和互补的声/电转换过程非常高效，达到99％或更高;这有助于保持信噪比和信号完整性。

SAW滤波是由建设性和破坏性干扰引起的，因为当波在表面上以3000到12,000米/秒的速度传播时会发生波延迟（取决于基材）。接收端的延迟输出组合，产生有限脉冲响应（FIR）滤波器响应。声能的传播速度远远慢于电传播，因此具有机械可行的尺寸。通过调节IDT指状物的行进距离和尺寸，从而调节它们的脉冲响应，SAW装置的驻波干涉图案建立了所需的滤波器中心频率，带宽，类型和其他因素。

请注意，SAW在基本概念和实现方面与传统的全电子，基于RLC的滤波器完全不同;它不仅仅是集成电路，单片重新创建RLC型滤波器。然而，制造工艺在许多方面类似于标准IC，因此SAW器件利用了成熟的技术，投资和制造专业知识。与RLC滤波器一样，它是无源器件，无需电源。

体声波（BAW）滤波器和FBAR（薄膜体声波谐振器）在首次出现时与SAW器件类似，但有一些主要差异。在BAW装置中，声能穿过压电基板以建立驻波，而不是像SAW滤波器那样穿过表面。 FBAR是BAW方法的一种变体;它使用在结构内具有悬浮膜的蚀刻腔来实现期望的共振并因此实现过滤。一般而言，SAW器件最多只适用于单位数千兆赫兹范围，而BAW器件在几GHz及更高频率下是更好的选择。

虽然标准SAW（和BAW）器件是固定频率的设备正在进行工作，使它们作为可调谐滤波器以及可接受的性能运行;其中一些工作利用了MEMS技术。通过这种方式，可以指示单个设备“在运行中”改变其工作频率以服务多个频段，在成本和空间节省方面具有明显的优势。

SAW滤波器参数

选择SAW滤波器时感兴趣的主要参数与传统滤波器类似（图3）。这些包括中心频率，带宽，插入损耗，衰减，功率处理和温度稳定性。由于其相当好的性能，低成本和小尺寸，数十家这样的设备每年由数十家供应商生产（其中许多是大批量供应商，但其名称通常不为人所知），拥有成千上万的独特型号。

图3：与传统的基于无源RLC的滤波器一样，滤波器性能的关键参数是中心频率，带内插入损耗和输出带宽衰减。 （由Taiyo Yuden提供）

因此，很难引用典型的SAW规范，因为每个可用设备都有折衷，例如带宽更窄但损耗更大;没有SAW设备在所有参数中具有“最佳”规格。 SAW中心频率跨越约50 MHz至几GHz，带宽介于中心频率的1％至10％之间。插入损耗在3到30 dB之间，回波损耗在10到30 dB之间。

一般来说，SAW器件不是用作高功率信号的滤波器，但它们通常可以处理10到30 dBm的信号。许多设计师非常关心的是它们的频率温度系数（tempco），这在许多情况下都是一个问题。 SAW器件的典型温度系数为-50 ppm/⁰C。还有更先进的（因此更昂贵的）温度补偿SAW配置，其温度低至-15至-25 ppm/℃。

部件显示出不同的性能

在常见应用中使用的SAW滤波器的两个示例，每个都适用于特定的应用领域，显示了数千个可用单元的多样性。 Taiyo Yuden的F6QA1G585M2AT是一款50Ω单端设备，专为GPS/GLONASS卫星接收器设计，通带为1565.42至1605.886 MHz。在该通带内插入损耗在1到2 dB之间（图4），在通带外急剧增加到30 dB以上。该滤波器采用1.1×0.9×0.5 mm厚的封装。

图4：Taiyo Yuden的F6QA1G585M2AT SAW滤波器经过优化使用在GPS/GLONASS接收机中，40 MHz通带以1585.653 MHz为中心，通带外部急剧下降。

RF设计人员还关注输入和输出阻抗，如史密斯圆图所示（图5和图6），需要与SAW滤波器两侧的电路进行阻抗匹配，以最大限度地减少驻波（VSWR）和思考。

图5：RF电路设计人员一直关注功能模块之间的阻抗匹配，因此F6QA1G585M2AT数据手册包含输入阻抗特性的史密斯圆图。

图6：F6QA1G585M2AT输出阻抗的史密斯圆图也很关键。

对于低得多的频率，例如用于点对点短距离无线电链路的Murata RF Monolithics的RF2040E以910.0 MHz为中心，目标是在902.0和928.0 MHz之间进行带通操作。其1 dB带宽为31 MHz，插入损耗为2.0 dB（典型值）和3.0 dB（最大值）。接近通带的衰减为37 dB（图7），从通带进一步增加到48 dB（图8）。请注意，该滤波器在通带中相对平坦，典型纹波约为0.7 dB（图9）。

图7：从865.0到965.0 MHz的Murata RF Monolithics RF2040E SAW滤波器响应显示1 dB带宽以及两侧的不对称响应通带。

图8：进一步远离通带，RF2040E在200到2000 MHz范围内的衰减再增加20到与接近通带相比，为30 dB。

图9：通带内的纹波紧密1.0 dB，保持低幅度失真简化了信号处理。

输入阻抗为50Ω，输出阻抗为130Ω;再次，供应商提供输入和输出史密斯圆图以分别帮助阻抗匹配（图10和图11）。这款3.0×3.0 mm 8引脚封装的最大输入功率为15 dBm，厚度仅为1 mm。

图10：史密斯圆图在匹配时，RF2040E输入至关重要，以最大限度地减少前端输入放大器和SAW滤波器输入之间的损耗和反射。

图11： RF2040E的标称输入阻抗为50Ω，输出阻抗为130Ω;设计人员必须在随后的匹配阶段考虑到这一点。