射頻干擾一直是無線通信的天敵,它要求設計師采取凌厲手段以束其就范。隨著每臺設備內所支持頻段的日益增多,當今的無線設備必須要同時防范來自其它設備及自身的干擾信號。
一款高端智能手機必須要對多達15個頻段的2G、3G和4G無線接入方式的發送和接收路徑進行濾波,同時要濾波的還包括:Wi-Fi、藍牙和GPS接收器的接收路徑。必須對各接收路徑的信號進行隔離。還必須要對出處雜多、難以盡舉的其它外部信號進行抑制。要做到這點,一款多頻段智能手機需要八或九個濾波器和八個雙工器。如果沒有聲濾波技術,這將難以實現。
SAW :成熟且仍在發展
聲表面波(SAW)濾波器廣泛應用于2G接收機前端以及雙工器和接收濾波器。 SAW濾波器集低插入損耗和良好的抑制性能于一身,不僅可實現寬帶寬,其體積還比傳統的腔體甚至陶瓷濾波器小得多。因為SAW濾波器制作在晶圓上,所以可以低成本進行批量生產。SAW技術還支持將用于不同頻段的濾波器和雙工器整合在單一芯片上,且僅需很少或根本不需額外的工藝步驟。
存在于具有一定對稱性晶體內的壓電效應是聲濾波器的“電動機”及 “發電機” 。當對這種晶體施以電壓,晶體將發生機械形變,將電能轉換為機械能。當這種晶體被機械壓縮或展延時,機械能又轉換為電能。在晶體結構的兩面形成電荷,使電流流過端子和/或形成端子間的電壓。電氣和機械能量間的這種轉換的能量損耗極低,無論電/機還是機/電能量轉換,效率都可高達99.99%。
在固態材料中,交替的機械形變會產生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲濾波器內,對聲波進行導限以產生極高品質因數(Q值可達數千)的駐波(standing waves)。這些高Q值的諧振是聲濾波器的頻率選擇性和低損耗特性的基礎。
在一款基礎SAW濾波器(圖1)中,電輸入信號通過間插的金屬交指型換能器(IDT)轉換為聲波,這種IDT是在諸如石英、鉭酸鋰(LiTaO3)或鈮酸鋰(LiNbO3)等壓電基板上形成的。在一款非常小設備內,IDT的低速特性非常適合眾多波長通過。
圖1 :基本SAW濾波器
但SAW濾波器有局限性。高于約1GHz時,其選擇性降低;在約2.5GHz,其使用僅限于對性能要求不高的應用。SAW器件易受溫度變化的影響,是個老大難問題:溫度升高時,其基片材料的剛度趨于變小、聲速也降低。
一種替代方法是使用溫度補償(TC-SAW)濾波器,它是在IDT的結構上另涂覆一層在溫度升高時剛度會加強的涂層。溫度未補償SAW器件的頻率溫度系數(TCF)通常約為-45ppm/℃,而TC-SAW濾波器則降至-15到-25ppm/℃。但由于溫度補償工藝需要加倍的掩模層, 所以,TC-SAW濾波器更復雜、制造成本也更高,但仍比體聲波(BAW)濾波器便宜。
高性能BAW
雖然SAW和TC-SAW濾波器非常適合約1.5GHz以內的應用,高于1.5GHz時,BAW濾波器非常具有性能優勢(圖2)。BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小,這使它非常適合要求非常苛刻的3G和4G應用。此外,即便在高寬帶設計中,BAW對溫度變化也不那么敏感,同時它還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊(filter skirt)。
圖2 :高于1.5GHz時,BAW濾波器非常具有性能優勢
不同于SAW濾波器,BAW濾波器內的聲波垂直傳播(圖3)。對使用石英晶體作為基板的BAW諧振器來說,貼嵌于石英基板頂、底兩側的金屬對聲波實施激勵,使聲波從頂部表面反彈至底部,以形成駐聲波。而板坯厚度和電極質量(mass)決定了共振頻率。在BAW濾波器大顯身手的高頻,其壓電層的厚度必須在幾微米量級,因此,要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術實現諧振器結構。
圖3: BAW濾波器內的聲波垂直傳播。
為使聲波不散漫到基板上,通過堆疊不同剛度和密度的薄層形成一個聲布拉格(Bragg)反射器。這種方法被稱為牢固安裝諧振器的BAW或BAW-SMR器件(圖4)。另一種方法,稱為薄膜體聲波諧振器(FBAR),它是在有源區下方蝕刻出空腔,以形成懸浮膜。
圖4:BAW–SMR器件。
因這兩種類型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結構都能很好地導限聲波,它們的損耗都非常低。在微波頻率,BAW可實現的Q值、在可比體積下、比任何其它類型的濾波器都高,可達:2500@2GHz。這使得即使在通帶邊緣的吃緊處,它也有極好的抑制和插入損耗性能。
雖然BAW和FBAR濾波器的制造成本更高,其性能優勢非常適合極具挑戰性的LTE頻帶以及PCS頻帶,后者的發送和接收路徑間只有20MHz的狹窄過渡范圍。 BAW和FBAR濾波器的IDT可做得足夠大,以支持4W@2GHz的更高射頻功率。BAW器件對靜電放電有固有的高阻抗,其BAW-SMR變體具有約-17ppm/℃ @2GHz的TCF 。
隨著頻譜擁擠導致縮窄甚至舍棄保護頻帶的趨勢,對于高性能濾波器的需求顯著增加。BAW技術使人們有可能設計出具有非常陡峭濾波器裙邊、高抑制性能以及溫漂很小的窄帶濾波器,它非常適合處理相鄰頻段之間非常棘手的干擾抑制問題。TriQuint及其它濾波器制造商的工程師正在努力實現4%或更高帶寬、損耗更低、TCF基本為零的BAW-SMR濾波器。
BAW器件所需的制造工藝步驟是SAW的10倍,但因它們是在更大晶圓上制造的,每片晶圓產出的BAW器件也多了約4倍。即便如此,BAW的成本仍高于SAW。然而,對一些分配在2GHz以上極具挑戰性的頻段來說,BAW是唯一可用方案。因此,BAW濾波器在3G/4G智能手機內所占的份額在迅速增長。
我們TriQuint的設計團隊專注于優化BAW和 BAW-SMR架構,而非FBAR架構 。在BAW-SMR濾波器底部電極下方使用的聲反射器使其在FBAR面臨挑戰的頻段擁有優化的帶寬性能。反射器使用的二氧化硅還顯著減少了BAW的整體溫漂,該指標遠好于BAW甚至FBAR所能達到的水平。由于諧振器位于結實的材料塊上,其散熱比FBAR好得多,后者采用一個膜,僅能通過邊緣散熱。這使得BAW器件可實現更高的功率密度,不久就會有可用于小蜂窩基站應用10W級器件的問世。
總結
未來幾年,SAW、TC-SAW和BAW濾波器及雙工器的各種選擇將成為各類無線設備更重要的組成部分。隨著各類發射器的增加、更高頻率內更多無線頻段的分配、加之全球頻譜管理依然各自為政,射頻干擾抑制將變得越來越具有挑戰性。
責任編輯:gt
-
濾波器
+關注
關注
161文章
7795瀏覽量
177996 -
電動機
+關注
關注
74文章
4109瀏覽量
96204 -
無線
+關注
關注
31文章
5450瀏覽量
173245
發布評論請先 登錄
相關推薦
評論