无线通信用SAW滤波器的分析与设计

针对声表面波滤波器基本理论及其频域传输函数，应用电网络分析与综合理论作出等效电路，并对梯型结构声表面波滤波器中单端对谐振器的特性进行了分析。根据理论分析设计出单端对谐振器，运用该结构设计了无线通信系统中移动电话用声表面波滤波器，并给出了设计结果。
关 键 词 声表面波; 声表面波滤波器； 单端对声表面波谐振器; 无线通信

随着无线移动通信技术的发展，人们对移动电话的需求直线上升。为规范移动通信市场，国际上建立了几种公用通信系统标准，如美国移动通信系统(AMPS)、扩展总路线通信系统(ETACS)、全球移动系统(GSM)等。以上各通信系统所使用的频率范围均不相同，但为扩大通信容量，与传统的通信系统相比，它们的射频频率都较高，使用带宽较宽，且发射端和接收端的间隔较窄。因此，各系统对关键器件即滤波器的滤波频率性能都有严格的要求。声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)滤波器是一种新型的信号处理器件，可以实现任意精度的频率特性，这是其他射频滤波器难以实现的, 故SAW滤波器在电子信息领域，特别在通信中得到了越来越广泛的应用。随着SAW滤波器朝着小型片式化、高频宽带化、低插损、高可靠性和表面贴装等方向的发展，更将使SAW滤波器技术在各种信号处理、通信等领域越来越具有吸引力。
1 SAW滤波器基本理论
SAW是在压电基片材料表面产生并传播，且振幅随着深入基片材料的深度增加而迅速减少的一种弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器－叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)，分别用作发射换能器和接收换能器，如图1所示[1, 2]。
发射换能器将RF信号转换为声表面波，在基片表面上传播，经过一定的延迟后，接收换能器将声信号转换为电信号输出。滤波过程是在电到声和声到电的转换中实现，所以可以将SAW滤波器等效为一个两端口的无源网络，如图2所示。图中H1(ω)是发射(或输入)叉指换能器IDT1的频率响应, H2(ω)是接收(或输出)叉指换能器IDT2的频率响应, H3 (ω)是SAW在两叉指换能器间的传输特性。设声表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，显然H3(ω)可等效为一个具有一定延时t0的全通时延网络。若输入和输出叉指换能器中心间的距离为L.

2 无线通信中用SAW滤波器的研究
在移动通信系统中，无论是数字式还是模拟式，其发射和接收信号的功能模块电路结构基本相同，如图3所示。在Tx端，在载波上对信号进行调制, 通过放大电路将功率放大，然后经过SAW滤波器滤波后由天线将信号发出，本通道要求滤波器损耗低，可承受大功率；在R x端通道，天线接收到的微弱信号经SAW滤波器过滤后，进行放大解调，最终获得所要的信息，要求滤波器损耗低，阻带抑制高。