SAW声表面滤波器简介

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。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。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。

①选择性好。选择性一般可达140dB左右，可确保图像的清晰度。

②频带宽，动态范围大，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，不相互干扰。

③性能稳定，可靠性高，抗干扰能力强，不易老化。

④使用方便，装配时只需插入和焊接即可，无需调节。

⑤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声表滤波器的性能特点，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。其不足之处是: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。

表面波滤波器它是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要没着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播，故称为声表面波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，别一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

在声表面波滤波器中，信号经过电-声-电的两次转换，由于基片的压电效应，则叉指换能器具有选频特性。显然，两个叉指换能器的共同作用，使声表面波滤波器的选频特性较为理想。

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R x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。

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;R x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。

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300~2 400 MHz，相对带宽为2%~6%， 插入损耗小于5 dB。

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。

SAw滤波器的设计

设计梯型结构滤波器[3, 4]，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

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R p，串、并臂阻抗应满足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，将式(4)、(5)代入式(6)，可化为式中一般取为50 Ω。单端对谐振器的静电容可由下式获得

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。