滤波器的作用（滤波器的主要功能和作用）

35小吃技术网推荐阅读 2022年10月03日21时12分17秒 738 0

过滤器的功能(过滤器的主要功能和作用)

滤波器可分为LC滤波器、腔体滤波器、声学滤波器、电介质滤波器等。根据不同的实施方式。不同的滤镜适合不同的应用场景。在手机无线通信应用中，由于体积小、功耗低，智能手机目前使用的是体积小、性能高的声学滤波器，根据结构不同可以分为声表面波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器。

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声表面波滤波器的基本原理是利用压电效应将无线信号在输入端转换为声信号，声信号在输出端利用逆压电效应转换为无线信号。基本的声表面波滤波器由压电材料和两个叉指换能器(IDT)组成。输入端的IDT将电信号转换成声波，声波以驻波的形式在SAW滤波器基片表面横向传播。输出端的IDT接收到的声波转换成电信号输出，实现滤波。

SAW产品包括普通SAW滤波器和具有温度补偿特性的TC-SAW滤波器，产品包括双工器和分离滤波器。制造的主要原料是钽酸锂或铌酸锂单晶晶片(主要是4寸晶片)。通过诸如光刻和涂覆的半导体工艺对晶片进行构图，然后切割成芯片。芯片表面结构和制造工艺相对简单，成本低。

常见的声波滤波器包括声表面波、BAW、FBAR和XBAR。

BAW滤波器的基本原理与声表面波滤波器相同，不同的是声波在BAW滤波器中是垂直传播的。同时，电极的使用和薄膜压电层的厚度决定了滤波器的谐振频率。在高频下，薄膜压电层的厚度在几微米的量级，因此需要使用更难的薄膜沉积和微加工技术，这导致了更高的制造难度和成本。根据微信微信官方账号，BAW滤镜有FBAR型和SMR型，结构略有不同。BAW滤波器可以直接在硅片(主要是6英寸)上加工设计，用PVD或CVD设备制备压电薄膜是关键工艺。薄膜材料主要是氮化铝和氧化锌。

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声表面波滤波器

声表面波滤波器(SAW filter)是声表面波滤波器的简称，是利用应时晶体和压电陶瓷等压电材料，基于其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种特殊的滤波器件。广泛应用于电视机和录像机的中频电路中，代替LC中频滤波器，大大提高了图像和声音的质量。微信微信官方账号提醒您，声表面波(SAW)是一种在压电基片材料表面产生并传播的弹性波，其振幅随着基片材料深度的增加而迅速减小。

SAW滤波器原理图:

SAW滤波器的结构如图所示。它由压电材料制成的基底和在其上烧制的梳状电极组成。当SAW滤波器的大端输入信号时，在电极的压电材料表面会产生与外加信号频率相同的机械振动波。振动波以声波的速度在压电基板的表面上传播。当声波到达输出端时，输出端由梳状电极组成的换能器将声能转换成交变电信号输出。

从上面的介绍中不难看出，SAW滤波器是由两个换能器组成的。输入换能器将电能转换成声能以发射表面声波，而输出换能器将接收到的表面声波的声能转换成电能以输出。声表面波滤波器利用压电基片上的这两个换能器产生并检测声表面波，从而完成滤波功能。

SAW滤波器的主要特点是:设计灵活性大、模拟/数字兼容、优良的群延迟时间偏差和频率选择性(可选频率范围10MHz ~ 3GHz)、输入输出阻抗误差小、传输损耗低、抗电磁干扰(EMI)性能好、可靠性高、制造的器件体积小、重量轻(其体积和重量分别约为陶瓷介质滤波器的1/40和1/30)。

SAW滤波器的特性和优点满足了现代通信系统和便携式电话在薄型化、小型化、高频化、数字化、高性能和高可靠性方面的要求。其缺点是:所需基板材料价格昂贵，对基板的定向、切割、打磨、抛光、制造工艺要求高。

ba-体声波滤波器

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合1.5GHz左右的应用，但BAW滤波器在1.5GHz以上具有很大的性能优势(图2)。BAW滤波器的尺寸也随着频率的增加而减小，这使得它非常适合于要求非常苛刻的3G和4G应用。此外，即使在高带宽设计中，BAW对温度变化也不那么敏感，并且它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器边缘。

图2: BAW滤波器在1.5GHz以上有很大的性能优势

与SAW滤波器不同，BAW滤波器中的声波垂直传播(图3)。对于以应时晶体为基底的BAW谐振器，镶嵌在应时基底上下两面的金属激发声波，使声波从顶面向底部反弹形成驻波。平板厚度和电极质量决定了共振频率。在BAW滤波器起重要作用的高频下，其压电层的厚度必须在几微米的数量级。因此，应该在载体衬底上使用薄膜沉积和微机械加工技术来实现谐振器结构。

图3:声波在3:BAW滤波器中的垂直传播。

为了防止声波在基底上散射，布拉格反射器由不同刚度和密度的薄层堆叠而成。这种方法被称为BAW或BAW-SMR装置，带有牢固安装的谐振器(图4)。另一种称为薄膜体声波谐振器(FBAR)的方法是在有源区下蚀刻一个空空腔以形成一个浮动膜。

图4:BAW-SMR设备。

由于这两种类型的BAW滤波器具有高的声能密度，并且它们的结构能够很好地引导和限制声波，所以它们的损耗非常低。在微波频率下，BAW可实现的Q值高于同等体积的任何其他类型的滤波器，达到2500@2GHz。这使得它即使在通带边缘的紧密位置也具有优异的抑制和插入损耗性能。

虽然BAW和FBAR滤波器的制造成本更高，但其性能优势非常适合挑战LTE频段和PCS频段，后者在发射和接收路径之间只有20MHz的狭窄过渡范围。微信微信官方账号认为，BAW和FBAR滤波器的IDT可以做得足够大，以支持4W@2GHz的更高射频功率。BAW器件具有固有的高抗静电放电能力，其BAW-SMR变体在2ghz时的TCF约为-17pm/℃。

随着频谱拥塞导致的保护频带变窄甚至放弃的趋势，对高性能滤波器的需求显著增加。Ba技术使人们可以设计出滤波器裙边陡峭、抑制性能高、温漂小的窄带滤波器，非常适合处理非常困难的相邻频段间干扰抑制问题。TriQuint和其他滤波器制造商的工程师正在努力实现带宽为4%或更高、损耗更低、TCF基本为零的BAW-SMR滤波器。

BAW器件的制造工艺步骤是SAW的10倍，但是因为它们是在更大的晶片上制造的，所以每个晶片上生产的BAW器件的数量大约多4倍。即便如此，BAW的成本仍然高于电锯。然而，对于一些分配在2GHz以上的具有挑战性的频段，BAW是唯一可用的方案。因此，BAW滤波器在3G/4G智能手机中的份额正在快速增长。

BAW-SMR滤波器底部电极下使用的声学反射器使其能够在FBAR面临挑战的频带中具有优化的带宽性能。反射器中使用的二氧化硅还显著降低了BAW的整体温度漂移，这远远好于BAW甚至FBAR。由于谐振器位于固体材料块上，其散热比FBAR好得多，后者使用薄膜，只能通过边缘散热。这使得BAW设备能够实现更高的功率密度，不久将有10W设备可用于小型蜂窝基站应用。

BAW滤波器示意图

BAW-SMR

固定安装的谐振器是在振荡结构下形成的布拉格反射器，其将声波反射到压电层中。反射器由几层交替的阻抗组成，如第一层声阻抗大，第二层声阻抗小，第三层声阻抗大，每层的厚度为声波的λ/4，这样大部分波会被反射回来并与原波叠加。这种结构的整体效果相当于接触空气体，大部分声波被反射回来。这种结构被称为BAW-SMR。

谐振器

薄膜体声波谐振器包括薄膜型和气隙型。

膜型是从基片后面蚀刻到表面(即底电极表面)，形成悬浮的薄膜和空腔。

膜型类似于BAW谐振器的基本模型，两边都有空气体。由于空气体的声阻抗远低于压电层的声阻抗，所以大部分声波会被反射回来。但薄膜结构需要足够坚固，在后续工艺中不受影响。与BAW-SMR相比，膜式

少部分与下方基板接触，不利于散热。

气隙型在制作压电层之前沉积辅助层(牺牲支撑层)，最后去除辅助层，在振荡结构下形成气隙。

由于只有边缘部分与底层基板接触，这种结构在压力下比较脆弱，类似于膜式，散热问题也需要注意。

Bafilter类型

Bafilter可以以某种拓扑结构连接多个谐振器。有许多类型的带通滤波器，包括梯型滤波器、格子型滤波器、层叠晶体滤波器和耦合谐振器滤波器。这里只简单介绍一下梯形和格子型。

Ladertype(最后SAW也提到了)使用了一系列的探索者和一个并行的探索者。一系列的探索者加上一个并行的探索者称为一个阶段，整个Ladertype过滤器可以由几个阶段组成。

在了解梯型滤波器的工作原理之前，我们先来看看BAW谐振器的基本模型，如下图所示。

典型的基本结构如上图(A)所示，压电层夹在上下金属电极之间，对应的mBVD等效电路如上图(B)所示，对应的阻抗如上图(C)所示。可以看出，有两个谐振频率，串联(fs)和并联(fp)。工作原理如下。