SAW滤波器的现状及面临的挑战以及新型的IHP SAW滤波器介绍

之前打了错别字 改了重新发抱歉抱歉啊

IHP SAW也就是所谓的incredible high performance（辣眼睛）SAW，坊间称之为超级SAW。第一次看到这个名称的时候真的忍不住惊了一呆，感叹下难得的直白。这里借Murata的宣传文档跟大家一起了解一下；

无线通信终端中包含有射频滤波器，其频率范围从800到2500MHz。目前最广泛应用的射频滤波器是声表滤波器（通常简称SAW，是一种用石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，在其表面抛光后在上面蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极。分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要沿着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播，故称为声表面滤波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，别一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出）。

近些年我们也看到了越来越多的BAW滤波器的应用，(不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播。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)。在某些实现难度较高的频段，BAW技术具有SAW所难以企及的Q值及带宽特性。

村田制作所最新开发的新型SAW滤波器的令人难以置信的高性能，Murata称之为IHP SAW滤波器，它克服了传统的SAW滤波器的缺点，并达到了优于BAW滤波器的性能。在这篇文章中，Murata介绍了新型的IHP SAW滤波器。

1.SAW滤波器的现状及面临的挑战

射频滤波器广泛应用于射频终端的收发链路中，允许特定频率或频带的信号通过，同时滤除不需要的干扰或杂散信号。由若干个谐振单元所组成，以不同的电路形式连接起来（如图1就是一个典型的梯形电路），提供具有一定带宽的滤波电路。

Fig. 1.Schematic diagram of an RF filter (ladder circuit)

在射频滤波器中，一个重要的特性是过渡带的陡峭程度，即在滤波器带通特性中处于通带和阻带之间的曲线。在通带和阻带之间的其过渡带宽（如图1中的红色箭头所示）如果过窄，会大大增加滤波器的设计难度。为了提高过渡带的陡度，组成滤波器的谐振器之间的连接电路设计是很重要的，但谐振单元本身的特性（质量因数或Q值）也是关键因素。为了满足这些高难度频段的滤波器设计要求，各厂家一直在努力提高谐振单元的Q值。基于单晶压电LiTaO3基板的SAW器件已广泛应用于射频滤波器。该滤波器具有叉指换能器，安装在压电基板的表面。由IDT激发的表面声波的共振特性决定了射频滤波器的特征频带（图2）。

Fig. 2. Surfaceacoustic wave device

市场上另一种常见的新型射频滤波器是体声波滤波器BAW.不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播。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。虽然BAW的生产复杂程度较高，但是它能够提供更高的Q值，提供更狭窄的过渡频带。

在这样的背景之下，Murata公司成功地研发出了新的IHP SAW技术，克服了传统SAW的一些弱势。新的IHP SAW能够获得接近甚至优于BAW的性能，同时拥有更好的温度特性。

2. IHP SAW的特征

IHP SAW是具有以下几个特点的SAW滤波器：(1)高Q值, (2)低频率温度系数（TCF）和(3)良好的散热性

(1)高Q值

IHP SAW具有高Q值的特性，这种滤波器采用了一种新的结构，使表面声波的能量聚焦在衬底表面上，从而使波在衬底上的无损耗传播。在1.9GHz频段，谐振单元Q值的峰值Qmax达到3000以上，而传统SAW滤波器的谐振单元Qmax在1000左右。

图3是一个IHP SAW滤波器的实例，设计频段是Band25,传统认为这是最难处理的频段。实测数据较为令人满意，Tx频段的插损典型值为1.5dB, Rx频段插损典型值约2.1dB;隔离度的典型值为Tx频段57dB，Rx频段59dB；这已经达到了完全可以满足设计需要的程度。

Fig. 3. TheI.H.P. SAW Band25DPX (left: transmission characteristics, right: isolationcharacteristics)

(2)低频率温度系数（TCF）

IHP SAW滤波器可以改善频率温度系数TCF，该滤波器通过同时控制基板的线性膨胀系数和声音的速度，达到令人满意的温度特性。图4显示了滤波器的特性，当温度从35°C到+ 85°C.传统的SAW滤波器在TCF具有一个非常大的转变，约40 ppm /°C，而IHP SAW滤波器可以表现出一种改进的TCF特性，达到约±8 ppm /°C或更低。TCF改进了约30 ppm /°C，通过适当设计的基板结构可以进一步提高到0 ppm /°C。

Fig. 4. Filterwaveform under the variation of temperature (blue: -35°C, black: +25°C, red:+85°C)

IHP SAW的TCF特性也优于BAW滤波器，常见的BAW滤波器TCF的范围是20-30 ppm /°C。因此IHP SAW滤波器可以实现比在BAW滤波器更好的TCF特性。

(3)良好的散热性

IHPSAW滤波器也表现出良好的散热特性，当有高功率电信号的输入时，IDT产生热量。输入更强烈的信号会产生更多的热量，这可能导致设备故障，包括电极故障。而IHP SAW滤波器可以将电极产生的热量高效低消散到基板上，从而降低了温度的升高，比传统的SAW滤波器低将近一半。低TCF和更好的散热特性，保证了SAW滤波器在高温下频响稳定性。

3. 未来可期

IHPSAW滤波器在从800M到2.5GHz这样的宽频带内都可以表现出优秀的性能，在近期的研究中我们也验证过3.5GHz的性能，该频段也被认为是传统SAW滤波器难以企及的高频带（Q值对比曲线如图5）。移动终端向高速通信工具的演进是未来发展的必然之路。IHP SAW滤波器产品也是应对下一代通信终端所带来的挑战的潜在选择。

Fig. 5．Qcharacteristics comparison of the I.H.P. SAW and traditional SAW filters

IHP SAW滤波器另一个特征是带宽调整的自由度。IHP SAW滤波器允许设计者选择他们想要的任何带宽。除此之外，该IHP SAW滤波器可用于滤波器小型化的要求,与传统的SAW滤波器相比，上述三个特性将有助于器件的小型化。随着移动终端上可用尺寸的缩小，对射频器件的尺寸也提出了越来越高的要求。在这种前提下，IHP SAW滤波器是一种能够提供尺寸优势的理想产品。