声表面滤波器理论
来源：http://www.konuaer.net 作者：konuaer 2012年08月30
声表面滤波器基本理论
声表面滤波器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。
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，所以可以将声表面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
式中A3为常数，一般记为1。于是，声表面滤波器总的传输函数（或频率响应）是应用傅里叶变换特性，在分析中考虑1|)(|3≈ωH，因此，可以不计入)(3ωH。声表面波滤波器的频率响应为
SAW滤波器
专业术语
标称频率：通常是指中间频率的标称值，用于做相对于标准的参考频率。
通带宽度：这是一个频率间隔，并确保这时的相对衰耗等于或低于指定的衰耗值
带内波动：这是指通带内达到最大衰减之间，最大和最小衰减耗的最大差值
插入损耗：这是区分滤波器插入和未插入时的衰耗值的，它可分为最小损耗和恒定损耗。最小损耗是指插入损耗的最小值，恒定损耗是指在标称频率时的损耗。两者都可作为插入损耗的参考标准，通常将最小损耗作为标准。
阻带宽度：指相对衰耗等于或高于指定值的频率间隔。
固定衰耗和带宽：这是指在衰耗带宽中保证的相对损耗和频率间隔。
终端阻抗：这是电源阻抗或从滤波器侧看的负载阻抗值，它通常被等效为一个电阻和电容的并联。
群延时：它是相位对角频率的微分值
群延时带内波动：在特定的通带宽度中群延时的最大和最小群延时的最大差值
1． 产能力范围如下所示：
2． 在声表面波的最大额定值范围内使用
3． 不要用高于最大输入电压值的电压，过高的电压会加速产品特性的退化。
4． 在使用SAW器件前，要做好接地工作，从而尽量减小输入和输出端的耦合，否则将这种耦合造成器件的幅度和群延时波动。注意波频为f = 1/T
5． 在输入和输出区之间成倍反射的声表面波TTE波着附于主信号波上，会使主信号幅度和群延时产生抖动，从而增加端品间的失配度，而SAW应该工作在给定的终端条件下。注意波频为f = l /T
6． 注意不要在引脚施加太大的压力
7． 存储和运输声表面滤波器件的特定温度必须低于85℃
8． 注意在焊接声表面波产品的时候要防止施加电压
9． 避免声表面波作为独立单元和被安装在PC板上后被超声波消磁。在声表面波产品清洗时应该仔细选择清洗剂（器）
10．安装表帖装型声表面波设备
10-1 严重的温暖变化； 在严重的温度变化情况下，焊接部分将出现爆裂，因为印刷线路板材和表面型声表面波器件的陶瓷封装有着不同温度系数。如果要避免这种情况出现，请预先向我们咨询温度条件等情况。
10-2 来自自动焊接的震动；请注意，如果自动焊接过程给声表面波设备太多机械震动将会器件的电特性将恶化，。
10-3 （因PC板变形而引起的压力）如果PC 板在安装了声表面波设备后发生变形，机械应力将会引起焊接部分脱落与设备封装的开裂。
无线通信中用声表面滤波器的研究
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。而声表面滤波器具有体积小，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滤波器由单端对声表面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、并臂阻抗应满足声表面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
设计得到的声表面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。
康华尔电子
声表面滤波器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。
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，所以可以将声表面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
式中A3为常数，一般记为1。于是，声表面滤波器总的传输函数（或频率响应）是应用傅里叶变换特性，在分析中考虑1|)(|3≈ωH，因此，可以不计入)(3ωH。声表面波滤波器的频率响应为
SAW滤波器
专业术语
标称频率：通常是指中间频率的标称值，用于做相对于标准的参考频率。
通带宽度：这是一个频率间隔，并确保这时的相对衰耗等于或低于指定的衰耗值
带内波动：这是指通带内达到最大衰减之间，最大和最小衰减耗的最大差值
插入损耗：这是区分滤波器插入和未插入时的衰耗值的，它可分为最小损耗和恒定损耗。最小损耗是指插入损耗的最小值，恒定损耗是指在标称频率时的损耗。两者都可作为插入损耗的参考标准，通常将最小损耗作为标准。
阻带宽度：指相对衰耗等于或高于指定值的频率间隔。
固定衰耗和带宽：这是指在衰耗带宽中保证的相对损耗和频率间隔。
终端阻抗：这是电源阻抗或从滤波器侧看的负载阻抗值，它通常被等效为一个电阻和电容的并联。
群延时：它是相位对角频率的微分值
群延时带内波动：在特定的通带宽度中群延时的最大和最小群延时的最大差值
1． 产能力范围如下所示：
2． 在声表面波的最大额定值范围内使用
3． 不要用高于最大输入电压值的电压，过高的电压会加速产品特性的退化。
4． 在使用SAW器件前，要做好接地工作，从而尽量减小输入和输出端的耦合，否则将这种耦合造成器件的幅度和群延时波动。注意波频为f = 1/T
5． 在输入和输出区之间成倍反射的声表面波TTE波着附于主信号波上，会使主信号幅度和群延时产生抖动，从而增加端品间的失配度，而SAW应该工作在给定的终端条件下。注意波频为f = l /T
6． 注意不要在引脚施加太大的压力
7． 存储和运输声表面滤波器件的特定温度必须低于85℃
8． 注意在焊接声表面波产品的时候要防止施加电压
9． 避免声表面波作为独立单元和被安装在PC板上后被超声波消磁。在声表面波产品清洗时应该仔细选择清洗剂（器）
10．安装表帖装型声表面波设备
10-1 严重的温暖变化； 在严重的温度变化情况下，焊接部分将出现爆裂，因为印刷线路板材和表面型声表面波器件的陶瓷封装有着不同温度系数。如果要避免这种情况出现，请预先向我们咨询温度条件等情况。
10-2 来自自动焊接的震动；请注意，如果自动焊接过程给声表面波设备太多机械震动将会器件的电特性将恶化，。
10-3 （因PC板变形而引起的压力）如果PC 板在安装了声表面波设备后发生变形，机械应力将会引起焊接部分脱落与设备封装的开裂。
无线通信中用声表面滤波器的研究
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。而声表面滤波器具有体积小，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滤波器由单端对声表面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、并臂阻抗应满足声表面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
设计得到的声表面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。
康华尔电子
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