B39311B3768Z810滤波器信号调节器,声音表滤波器

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1、SAW Filter

声表面波（SAW）滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。SAW滤波器集低插入
损耗和良好的抑制性能于一身，不仅可实现宽带宽，其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。
因为SAW滤波器制作在晶圆上，所以可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的
滤波器和双工器整合在单一芯片上，且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。



存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及“发电机”。当对这种晶体施以
电压，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时，机械能又转换
为电能。在晶体结构的两面形成电荷，使电流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的
这种转换的能量损耗极低，无论电/机还是机/电能量转换，效率都可高达99.99%。



在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内，对声波进行
导限以产生极高品质因数（Q值可达数千）的驻波（standingwaves）。这些高Q值的谐振是声滤波器
的频率选择性和低损耗特性的基础。


在一款基础SAW滤波器中，电输入信号通过间插的金属交指型换能器（IDT）转换为声波，这种IDT是
在诸如石英、钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）等压电基板上形成的。在一款非常小设备内，IDT
的低速特性非常适合众多波长通过。

全球声学滤波器技术发展趋势

一、TC-SAW

对于声表面波器件来说，对温度非常敏感。在较高温度下，衬底材料的硬度易于下降，声波速度也因此下降。
由于保护频带越来越窄，并且消费设备的指定工作温度范围较大（通常为-20℃至85℃），因此这种局限性的
影响越来越严重。

一种替代方法是使用温度补偿（TC-SAW）滤波器，它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强
的涂层。温度未补偿SAW器件的频率温度系数（TCF）通常约为-45ppm/℃，而TC-SAW滤波器则降至-15到
-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层，所以，TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也相对更高。

目前TC-SAW技术越来越成熟，国外大厂基本都有推出相应产品，在手机射频前端取得不少应用，而国内的工
艺仍需要摸索。

二、高频SAW

普通SAW基本上是2GHz以下，村田开发出克服以往声表面波弱点的 I.H.P.SAW（Incredible High Performance
-SAW）。村田意将SAW技术发挥到极致（4GHz以下），目前量产的频率可达3.5GHz。

I.H.P.SAW可以实现与BAW相同或高于BAW的特性，并兼具了BAW的温度特性、高散热性的优点，具体如下：

1） 高Q值：在1.9GHz频带上的谐振器试制结果显示，其Q值特性的峰值超过了3000，比以往Qmax为1000左右的
SAW得到了大幅度的改善。

（2）低TCF：它通过同时控制线膨胀系数和声速来实现良好的温度特性。以往SAW的TCF转换量非常大（约为-40
ppm/℃），而 I.H.P.SAW可将其改善至±8ppm/℃以下。

（3）高散热性：向RF滤波器输入大功率信号后IDT会产生热量，输入更大功率则可能因IDT发热而破坏电极，从而
导致故障。 I.H.P.SAW可将电极产生的热量高效地从基板一侧散发出去，可将通电时的温度上升幅度降至以往SAW
的一半以下。低TCF和高散热性两种效果，使其在高温下也能稳定工作。

在通信设备中，射频信号处理单元负责信号的发送与接收，包含射频收发器、天线、
射频前端等。其中，射频前端由一系列组件构成，包含功率放大器（PA）、滤波器
（Filters）、开关（Switch）、双工器（Diplexer/Duplexer，由 2 个滤波器组成）、
低噪声放大器（LNA） 等，分别对应不同的射频信号处理功能，本篇将就射频关键
器件滤波器进行专题分析。

一、定义及功能
射频滤波器又名“射频干扰滤波器”，是消费电子中必不可缺的重要元器件之一。射
频滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，主要负责对通信通道中的信号频率
进行滤波。滤波器允许符合特定频率的信号通过，同时抑制其他不需要的频率信号，
可解决不同频段和通信系统之间产生的信号干扰问题，广泛应用于基站和终端设备的
射频信号处理系统中。从射频信号处理系统的布局来看，在射频发射路径中，滤波器
位于功率放大器的后侧；在射频接收路径中，滤波器位于低噪声放大器的前侧。

射频前端的信号传输路径分为发射通道和接收通道，（1）发射通道路径为“基带芯片
- 射频收发模块-开关-PA-滤波器/双工器-开关-天线-信号”；（2）接收通道路径为“
信号- 天线-开关-滤波器/双工器-LNA-开关-射频收发模块-基带芯片”。

二、关键性能指标
射频滤波器性能的优劣直接影响通讯系统的通信质量。Q 值、带宽、阻带抑制度、插入
损耗、延迟时间等是衡量滤波器性能的指标。其中，Q 值和插入损耗是选择滤波器的最
常用、最主要的性能指标。

三、滤波器分类

声学滤波器是目前手机应用的主流滤波器，可分为声表滤波器（SAW 滤波器）和体声
波滤波器（BAW 滤波器）。按照射频滤波器的应用场景和材料工艺两个方向进行分类：

（一）按应用场景分类
射频滤波器在无线通信终端的基站市场和手机市场应用最多，因此按照应用场景分类，
滤波器可分为通信基站滤波器和手机滤波器。不同应用场景对滤波器的要求不同，因此
手机滤波器与基站滤波器的体积、制造工艺、适用宽带、成本、功率容量等特征存在明
显差异。基站滤波器更注重高稳定性、大带宽、大功率等指标，而手机滤波器对价格、
体积（手机射频滤波器尺寸为毫米级别，基站射频滤波器为厘米级别）更为敏感。

基站射频滤波器主要分为金属腔体滤波器（应用于2G-4G时代基站，应用率达95，产
业链成熟，适用于低频通信）和介质滤波器（使用5G基站建设小型化和轻量化需求，
是5G 基站的新风口），对应的制造工艺分别是金属精密加工和介质烧结；手机射频滤
波器主要为声波滤波器，包含SAW、TC-SAW、BAW、FBAR等，对应的制造工艺为半
导体制造工艺。

（二）按工艺材料分类

射频滤波器可分为声学滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器，其中声学滤波器（SAW、
BAW）是目前手机应用的主流滤波器。根据技术不同，声学滤波器又可分为声表滤波
器（SAW 滤波器）和体声波滤波器（BAW 滤波器）两种。其中，SAW 滤波器产品包
括普通的SAW、具有温度补偿特性的TC-SAW 滤波器及高频 I.H.P-SAW；BAW滤波器
产品包括BAW-SMR 和FBAR。

四、SAW 滤波器

SAW 滤波器采用半导体平面工艺制作，具有良好的一致性和重复性，并可实现低成本
批量生产。一般的 SAW 滤波器由压电材料衬底和两个 IDT 交叉环能器构成。IDT 交叉
换能器是由交叉排列的金属电极组成，左侧 IDT 将电信号转成声波，右侧 IDT 将声波转
成电信号。IDT 能把电信号转换成声波主要是因为其下方压电衬底产生压电效应，其中
SAW 滤波器的压电材料一般采用滤波器常用的压电材料有钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂（
LiNbO3）、二氧化硅（SiO2）等。

（一）工作原理

SAW 滤波器的基本原理是在输入端通过压电效应将电信号转为声信号在介质表面上传播，
而在输出端由逆压电效应将声信号转为电信号。对于 SAW，也叫 Rayleighsurface wave，
既有纵波也有横波。固体中粒子以椭圆轨迹震动，椭圆的长轴垂直于固体表面，随着固体
深度越深，粒子运动幅度越小。

穿过基板表面的声波（在固体材料中，交替的机械形变会产生3,000 至12,000 米/ 秒速度
的声波）移动的速度慢于任一端上 IDT 的电气速度。而穿过基板的波发生的延迟在接收端
的 IDT 处相结合，产生极高品质因数（Q 值可达数千）的驻波，进而产生了有限冲激响应
（FIR）滤波器响应。通过调整穿过基板的行进距离和 IDT 指的尺寸，可改变冲激响应。而
这就决定了带宽、中心频率、类型和其他因素。

SAW的频率基本可以参考公式：F=V/λ，其中 V 是 SAW 的速率，大约为 3100m/s，λ是
IDT 电极间距。从公式可以看出 SAW滤波器的频率与 IDT 电极间距成反比，频率越高，IDT
电极间距越小。在 IDT 小间距下，电流密度太大会导致电子迁移和发热问题，所以 SAW滤波
器不太适合 2.5GHz 以上的频率。SAW 滤波器对温度变化也敏感，性能随温度升高而变差，
温度升高时，基片材料的刚度变小，声波速度变小。温度补偿滤波器(TC-SawFilter)就是为了
改善滤波器的温度性能，在 IDT 上增加保护涂层改善其温度特性，使其在温度升高时，刚度增
加，改善温度特性的同时也会使得滤波器成本上升。