SAW、TC-SAW和BAW滤波器的应用挑战分析

作者： TriQuint公司Robert Aigner

射频干扰一直是无线通信的天敌，它要求设计师采取凌厉手段以束其就范。随着每台设备内所支持频段的日益增多，当今的无线设备必须要同时防范来自其它设备及自身的干扰信号。

一款高端智能手机必须要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时要滤波的还包括：Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收路径。必须对各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行抑制。要做到这点，一款多频段智能手机需要八或九个滤波器和八个双工器。如果没有声滤波技术，这将难以实现。

SAW ：成熟且仍在发展

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（standing waves）。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（图1）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。

图1 ：基本SAW滤波器

但SAW滤波器有局限性。高于约1GHz时，其选择性降低；在约2.5GHz，其使用仅限于对性能要求不高的应用。SAW器件易受温度变化的影响，是个老大难问题：温度升高时，其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。

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、制造成本也更高，但仍比体声波（BAW）滤波器便宜。

高性能BAW

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用，高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势（图2）。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小，这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外，即便在高宽带设计中，BAW对温度变化也不那么敏感，同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边（filter skirt）。

图2 ：高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势

不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播（图3）。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励，使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。在BAW滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

图3： BAW滤波器内的声波垂直传播。

为使声波不散漫到基板上，通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格（Bragg）反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件（图4）。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

图4：BAW–SMR器件。

因这两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波，它们的损耗都非常低。在微波频率，BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高，可达：2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处，它也有极好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，其性能优势非常适合极具挑战性的LTE频带以及PCS频带，后者的发送和接收路径间只有20MHz的狭窄过渡范围。 BAW和FBAR滤波器的IDT可做得足够大，以支持4W@2GHz的更高射频功率。BAW器件对静电放电有固有的高阻抗，其BAW-SMR变体具有约-17ppm/℃ @2GHz的TCF 。

随着频谱拥挤导致缩窄甚至舍弃保护频带的趋势，对于高性能滤波器的需求显著增加。BAW技术使人们有可能设计出具有非常陡峭滤波器裙边、高抑制性能以及温漂很小的窄带滤波器，它非常适合处理相邻频段之间非常棘手的干扰抑制问题。TriQuint及其它滤波器制造商的工程师正在努力实现4％或更高带宽、损耗更低、TCF基本为零的BAW-SMR滤波器。

BAW器件所需的制造工艺步骤是SAW的10倍，但因它们是在更大晶圆上制造的，每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。然而，对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说，BAW是唯一可用方案。因此，BAW滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。

我们TriQuint的设计团队专注于优化BAW和 BAW-SMR架构，而非FBAR架构 。在BAW-SMR滤波器底部电极下方使用的声反射器使其在FBAR面临挑战的频段拥有优化的带宽性能。反射器使用的二氧化硅还显著减少了BAW的整体温漂，该指标远好于BAW甚至FBAR所能达到的水平。由于谐振器位于结实的材料块上，其散热比FBAR好得多，后者采用一个膜，仅能通过边缘散热。这使得BAW器件可实现更高的功率密度，不久就会有可用于小蜂窝基站应用10W级器件的问世。

总结

未来几年，SAW、TC-SAW和BAW滤波器及双工器的各种选择将成为各类无线设备更重要的组成部分。随着各类发射器的增加、更高频率内更多无线频段的分配、加之全球频谱管理依然各自为政，射频干扰抑制将变得越来越具有挑战性。

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