濾波器一直是射頻信號路徑中必不可少的組成部分。過去，工程師必須熟練掌握濾波器設計理論和實踐的復雜性，才能創建基于分立元件的真實濾波器。然而，對于今天的無線設備和應用，使用這種方法越來越難以滿足所需的濾波器規格，因為RF頻譜變得更加擁擠并被切成更小的條子，而工作頻率增加到遠遠超過GHz閾值。實際情況是，使用分立元件的濾波器無法滿足當今許多RF產品的性能，一致性（由于寄生效應），尺寸和成本需求。

幸運的是，在過去幾十年中開發出了類似單片的器件，如表面聲波（SAW）濾波器，這些器件提供了所需的功能和特性。對于SAW濾波器，工程師主要關注的是將濾波器選擇為單個完整實體，而不是濾波器設計。 SAW濾波器提供了性能，尺寸和成本的有利組合，并廣泛用于體現Wi-Fi，LTE，GSM，藍牙和許多其他無線標準的應用中。

多頻段智能手機可以擁有十個或更多SAW濾波器，可以在系統級以及高度本地化的子系統中實現多種作用：寬帶，窄帶，通帶，低通和高通。電路（圖1）。因此，工程師的過濾器相關活動已經從復雜的設計和相關的測試/調試工作轉移到選擇合適的可用過濾器（這對大多數工程師來說是一件好事）。

圖1：SAW濾波器在無線設備中大量使用，用于前端濾波，窄帶多頻帶濾波和消除特定干擾源;它們可以是窄的或寬的，具有帶通，低通和高通FIR特性。 （由Taiyo Yuden提供）

SAW濾波器基礎知識

SAW器件將電子RF信號能量轉換為聲學域中的機械能。該濾波器基于用作襯底的壓電材料，例如石英，鈮酸鋰，鉭酸鋰或鑭鎵硅酸鹽。該基板的兩端都覆蓋有雕刻金屬層作為電聲換能器，由梳狀指形成為叉指式換能器（IDT），如圖2所示。

圖2：壓電基板兩端的類似梳狀的叉指式換能器將撞擊電能轉換為聲 - 機械能，然后能量波穿過表面，在那里轉換回電氣IDT在接收端的能量。 （由南佛羅里達大學提供）

電信號被施加到設備的一端，由源IDT轉換為聲能并在壓電材料的表面上發射，在那里它作為表面傳播 - 聲波（瑞利勛爵之后稱為瑞利波，詳細分析了它們）。然后通過類似但不相同的IDT將能量轉換回遠端的電子信號，設計用于捕獲能量。幸運的是，整體電氣/聲學和互補的聲/電轉換過程非常高效，達到99％或更高;這有助于保持信噪比和信號完整性。

SAW濾波是由建設性和破壞性干擾引起的，因為當波在表面上以3000到12,000米/秒的速度傳播時會發生波延遲（取決于基材）。接收端的延遲輸出組合，產生有限脈沖響應（FIR）濾波器響應。聲能的傳播速度遠遠慢于電傳播，因此具有機械可行的尺寸。通過調節IDT指狀物的行進距離和尺寸，從而調節它們的脈沖響應，SAW裝置的駐波干涉圖案建立了所需的濾波器中心頻率，帶寬，類型和其他因素。

請注意，SAW在基本概念和實現方面與傳統的全電子，基于RLC的濾波器完全不同;它不僅僅是集成電路，單片重新創建RLC型濾波器。然而，制造工藝在許多方面類似于標準IC，因此SAW器件利用了成熟的技術，投資和制造專業知識。與RLC濾波器一樣，它是無源器件，無需電源。

體聲波（BAW）濾波器和FBAR（薄膜體聲波諧振器）在首次出現時與SAW器件類似，但有一些主要差異。在BAW裝置中，聲能穿過壓電基板以建立駐波，而不是像SAW濾波器那樣穿過表面。 FBAR是BAW方法的一種變體;它使用在結構內具有懸浮膜的蝕刻腔來實現期望的共振并因此實現過濾。一般而言，SAW器件最多只適用于單位數千兆赫茲范圍，而BAW器件在幾GHz及更高頻率下是更好的選擇。

雖然標準SAW（和BAW）器件是固定頻率的設備正在進行工作，使它們作為可調諧濾波器以及可接受的性能運行;其中一些工作利用了MEMS技術。通過這種方式，可以指示單個設備“在運行中”改變其工作頻率以服務多個頻段，在成本和空間節省方面具有明顯的優勢。

SAW濾波器參數

選擇SAW濾波器時感興趣的主要參數與傳統濾波器類似（圖3）。這些包括中心頻率，帶寬，插入損耗，衰減，功率處理和溫度穩定性。由于其相當好的性能，低成本和小尺寸，數十家這樣的設備每年由數十家供應商生產（其中許多是大批量供應商，但其名稱通常不為人所知），擁有成千上萬的獨特型號。

圖3：與傳統的基于無源RLC的濾波器一樣，濾波器性能的關鍵參數是中心頻率，帶內插入損耗和輸出帶寬衰減。 （由Taiyo Yuden提供）

因此，很難引用典型的SAW規范，因為每個可用設備都有折衷，例如帶寬更窄但損耗更大;沒有SAW設備在所有參數中具有“最佳”規格。 SAW中心頻率跨越約50 MHz至幾GHz，帶寬介于中心頻率的1％至10％之間。插入損耗在3到30 dB之間，回波損耗在10到30 dB之間。

一般來說，SAW器件不是用作高功率信號的濾波器，但它們通?？梢蕴幚?0到30 dBm的信號。許多設計師非常關心的是它們的頻率溫度系數（tempco），這在許多情況下都是一個問題。 SAW器件的典型溫度系數為-50 ppm/?C。還有更先進的（因此更昂貴的）溫度補償SAW配置，其溫度低至-15至-25 ppm/℃。

部件顯示出不同的性能

在常見應用中使用的SAW濾波器的兩個示例，每個都適用于特定的應用領域，顯示了數千個可用單元的多樣性。 Taiyo Yuden的F6QA1G585M2AT是一款50Ω單端設備，專為GPS/GLONASS衛星接收器設計，通帶為1565.42至1605.886 MHz。在該通帶內插入損耗在1到2 dB之間（圖4），在通帶外急劇增加到30 dB以上。該濾波器采用1.1×0.9×0.5 mm厚的封裝。

圖4：Taiyo Yuden的F6QA1G585M2AT SAW濾波器經過優化使用在GPS/GLONASS接收機中，40 MHz通帶以1585.653 MHz為中心，通帶外部急劇下降。

RF設計人員還關注輸入和輸出阻抗，如史密斯圓圖所示（圖5和圖6），需要與SAW濾波器兩側的電路進行阻抗匹配，以最大限度地減少駐波（VSWR）和思考。

圖5：RF電路設計人員一直關注功能模塊之間的阻抗匹配，因此F6QA1G585M2AT數據手冊包含輸入阻抗特性的史密斯圓圖。

圖6：F6QA1G585M2AT輸出阻抗的史密斯圓圖也很關鍵。

對于低得多的頻率，例如用于點對點短距離無線電鏈路的Murata RF Monolithics的RF2040E以910.0 MHz為中心，目標是在902.0和928.0 MHz之間進行帶通操作。其1 dB帶寬為31 MHz，插入損耗為2.0 dB（典型值）和3.0 dB（最大值）。接近通帶的衰減為37 dB（圖7），從通帶進一步增加到48 dB（圖8）。請注意，該濾波器在通帶中相對平坦，典型紋波約為0.7 dB（圖9）。

圖7：從865.0到965.0 MHz的Murata RF Monolithics RF2040E SAW濾波器響應顯示1 dB帶寬以及兩側的不對稱響應通帶。

圖8：進一步遠離通帶，RF2040E在200到2000 MHz范圍內的衰減再增加20到與接近通帶相比，為30 dB。

圖9：通帶內的紋波緊密1.0 dB，保持低幅度失真簡化了信號處理。

輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為130Ω;再次，供應商提供輸入和輸出史密斯圓圖以分別幫助阻抗匹配（圖10和圖11）。這款3.0×3.0 mm 8引腳封裝的最大輸入功率為15 dBm，厚度僅為1 mm。

圖10：史密斯圓圖在匹配時，RF2040E輸入至關重要，以最大限度地減少前端輸入放大器和SAW濾波器輸入之間的損耗和反射。

圖11： RF2040E的標稱輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為130Ω;設計人員必須在隨后的匹配階段考慮到這一點。