射频原理

射频干扰一直是通信的阻碍因素，需要设计师采取重大措施来控制它。如今的无线设备不仅必须拒绝来自其他服务的信号，而且还必须拒绝来自自身的信号，因为每个设备内部的频带数量都在增加。

高端智能手机必须过滤多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径，以及Wi-Fi信号，其原因五花八门，无法一一列举。要做到这一点，一个多波段蓝牙和GPS接收器的接收路径。接收路径中的信号必须彼此隔离。他们还必须拒绝其他外来的东西智能手机将需要8或9个滤波器和8个双工器。如果没有声学过滤技术，这是不可能的。

SAW:成熟但仍在成长表面声波滤波器广泛应用于2G接收机前端、双工器和接收滤波器中。SAW滤波器结合了低插入损耗和良好抑制，可以实现较宽的带宽，并且尺寸仅为传统腔体甚至陶瓷滤波器的一小部分。由于SAW滤波器是在晶圆上制造的，因此可以以低成本大批量生产。SAW技术还允许不同频段的滤波器和双工器集成在单个芯片上，几乎没有额外的制造步骤。

存在于具有一定对称性的晶体中的压电效应是声滤波器中的“马达”和“发电机”。当对这种晶体施加电压时，它会发生机械变形，将电能转化为机械能。当这种晶体被机械压缩或膨胀时，情况正好相反。电荷在晶体结构的相反面形成，导致电流在终端内流动和/或终端之间的电压。这种电气和机械领域之间的转换以极低的能量损失发生，在两个方向上都实现了99.99%的卓越效率。

在固体材料中，交替的机械变形会产生以3000到12000米/秒的速度传播的声波。在声学滤波器中，波被限制为产生具有几千个极高质量因子的驻波。这些高q共振是声学滤波器实现频率选择性和低损耗的基础。

在基本声SAW滤波器中(见图1)，输入电信号通过交错金属数字间换能器(IDTs)转换为声波。在石英、钽酸锂(LiTa03)或铌酸锂(LiNb03)等压电衬底上制造。它的缓慢速度使得在一个非常小的装置中可以容纳许多波长的idt。

图1:基本SAW滤波器

然而，声呐滤波器有其局限性。在大约1 GHz以上，它们的选择性下降，在大约2.5 GHz时，它们的使用仅限于对性能要求不高的应用。SAW器件对温度变化也非常敏感:在较高的温度下，衬底材料的刚度趋于降低，声速减小。

另一种方法是使用温度补偿(TC-SAW)滤波器，它包括在IDT结构上覆盖层，以增加在更高温度下的刚度。未补偿的SAW器件通常具有约-45 ppm/oC的温度频率系数(TCF)， TC-SAW滤波器将其降低至-15至-25 ppm/oC。然而，由于该工艺所需的掩模层数增加了一倍，TC-SAW滤波器更复杂，因此制造成本更高，但仍然比体声波(BAW)滤波器便宜。

高性能的弯曲虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合高达约1.5 GHz的频率，但BAW滤波器在此频率以上具有引人注目的性能优势(见图2)。BAW滤波器的尺寸也随着频率的增加而减小，这使其成为最苛刻的3G和4G应用的理想选择。此外，即使在宽带下，BAW设计对温度变化的敏感性也要低得多，同时提供非常低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边。

图2:BAW滤波器在1.5GHz以上具有令人信服的性能优势

与SAW滤波器不同，BAW滤波器中的声波垂直传播(见图3)。在使用石英晶体作为衬底的BAW谐振器中，石英顶部和底部的金属片激发声波，声波从顶部反弹到底部表面，形成驻波。发生共振的频率是由平板的厚度和电极的质量决定的。在BAW滤波器有效的高频率下，压电层必须只有微米厚，这就要求在载流子衬底上使用薄膜沉积和微加工来制造谐振器结构。

图3:声波在BAW滤波器中垂直传播。

为了防止波逃逸到基材中，通过堆叠刚度和密度交替的薄层来制造声学布拉格反射器。这种方法的结果被称为固体安装谐振器BAW或BAW- smr设备(见图4)。另一种方法，称为薄膜体声谐振器(FBAR)，在有源区域下方蚀刻一个空腔，产生悬浮膜。

图4:BAW-SMR设备。

两种类型的BAW滤波器都可以实现非常低的损耗，因为它们的声能密度非常高，并且结构捕获声波非常好。其可实现的Q值高于任何其他在微波频率下使用的合理尺寸的滤波器:在2ghz时达到2500。这导致极好的抑制和插入损耗性能，即使在关键的通带边缘。虽然BAW和FBAR滤波器的制造成本更高，但它们的性能优势非常适合最具挑战性的LTE频段，除了PCS频段，它在发射和接收路径之间的转换范围很窄，只有20 MHz。BAW和FBAR滤波器也没有微小的idt，因此它们可以在2GHz时处理更高的4W射频功率水平。BAW器件具有固有的高静电放电电阻，并且BAW- smr变体在2 GHz时具有约-17 ppm/oC的TCF。

BAW器件需要比SAW多10倍的加工步骤，但由于它们是在更大的晶圆上制造的，因此每个晶圆可以收获大约4倍的器件。即便如此，BAW的成本仍然高于SAW。然而，对于分配在2ghz以上的一些最具挑战性的频段，BAW是唯一可行的解决方案。因此，BAW滤波器在3G/4G智能手机中的份额正在迅速增长。

BAW-SMR滤波器底部电极下方使用的声反射器使其能够在FBAR面临挑战的频率区域中优化宽带性能。反射器中使用的SiO2还可以显著降低BAW的整体温度漂移，远远低于SAW甚至FBAR所能达到的温度漂移。由于谐振器位于固体材料块上，因此与FBAR相比，它可以非常有效地散热，FBAR使用的膜只能在其边缘侧向散热。这使得BAW设备能够实现更高的功率密度，这将很快导致设备可以处理10w的小蜂窝基站应用。