滤波器的作用滤波器的主要功能和作用

过滤器的功能(过滤器的主要功能和作用)

滤波器可分为LC滤波器、腔体滤波器、声滤波器、介质滤波器等。根据不同的实现方法。不同的过滤器适用于不同的应用场景。在手机无线通信应用中，由于设备体积小、功耗低，智能手机目前使用的是小体积、高性能的声滤波器，根据结构的不同可分为声表面波(SAW)滤波器和体声波(BAW)滤波器。

声表面波滤波器的基本原理是在输入端，通过压电效应将无线信号转换为声信号，在输出端通过逆压电效应将声信号转换为无线信号。一个基本的声表面波滤波器由压电材料和两个叉指换能器(IDT)组成。输入端的IDT将电信号转换成声波，声波在声表面波滤波器基片表面以驻波的形式横向传播，输出端的IDT接收到的声波转换成电信号输出，从而实现滤波。

(资料图)

SAW产品包括普通SAW滤波器和具有温度补偿特性的TC-SAW滤波器，产品形式包括双工器和单个滤波器。原材料主要是钽酸锂或铌酸锂的单晶晶圆(主要是4英寸晶圆)。诸如光刻和涂覆的半导体工艺被应用于晶片的顶部用于图案化，然后被切割成芯片。芯片表面结构和制造工艺相对简单，成本相对较低。

常见的声学滤波器包括声表面波、BAW、FBAR和XBAR。

BAW滤波器的基本原理与声表面波滤波器相同，但不同的是声波在BAW滤波器中垂直传播。同时，电极的使用和薄膜压电层的厚度决定了滤波器的谐振频率。在高频下，薄膜压电层的厚度在几微米量级，因此需要采用难度较大的薄膜沉积和微加工技术，制造难度和成本较高。微信微信官方账号认为，BAW滤镜有FBAR型和SMR型，结构略有不同。BAW滤波器可以直接在硅片(主要是6英寸)上加工设计，利用PVD或CVD设备制备压电薄膜是关键的工艺环节，薄膜材料主要是氮化铝和氧化锌。

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声表面波滤波器

saw滤波器是SAW滤波器的缩写。它是利用应时晶体、压电陶瓷等压电材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种特殊滤波装置。它被广泛应用于电视机和录像机的中频电路中，取代液晶中频滤波器，大大提高了图像和声音的质量。微信微信官方账号提醒大家，声表面波(SAW)是在压电基片材料表面产生并传播的弹性波，其振幅随进入基片材料深度的增加而迅速减小。

声表面波滤波器原理示意图:

声表面波滤波器的结构如图所示。它由压电材料制成的基底和其上烧制的梳状电极组成。当输入信号输入到声表面波滤波器的大端时，电极的压电材料表面会产生与外加信号频率相同的机械振动波。振动波以声波的速度在压电基片表面传播。当波到达输出端时，输出端由梳状电极组成的换能器将声能转换成交流电信号输出。

从上面的描述不难看出，声表面波滤波器由两个换能器组成。输入换能器将电能转换成声能发射声表面波，输出换能器将接收到的声表面波声能转换成电能输出。声表面波滤波器利用压电基片上的这两个换能器产生并检测声表面波，从而完成滤波功能。

声表面波滤波器的主要特点是:设计灵活性大、模拟/数字兼容、优良的群时延时间偏差和频率选择性(可选频率范围10MHz ~ 3GHz)、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰(EMI)性能好、可靠性高、制造的器件体积小、重量轻(其体积和重量分别约为陶瓷介质滤波器的1/40和1/30)

声表面波滤波器的特点和优势，正好满足了现代通信系统设备和便携式电话在轻、薄、紧凑、高频、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。其缺点是:所需衬底材料昂贵，对衬底的取向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。

baw-体声波滤波器

虽然声表面波和TC-SAW滤波器非常适合1.5GHz左右的应用，但BAW滤波器在1.5GHz以上有很大的性能优势(图2)。BAW滤波器的尺寸也随着频率的增加而减小，这使得它非常适合要求苛刻的3G和4G应用。此外，即使在高带宽设计中，BAW对温度变化也不那么敏感，并且它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙。

图2: BAW滤波在1.5GHz以上有很大的性能优势

与声表面波滤波器不同，BAW滤波器中的声波是垂直传播的(图3)。对于以应时晶体为基底的BAW谐振器，嵌入在应时基底顶面和底面的金属激发声波，声波从顶面反射到底面，形成驻波。平板厚度和电极质量决定共振频率。在BAW滤波器发挥作用的高频下，压电层的厚度必须在几微米的数量级。因此，应采用薄膜沉积和微加工技术在载体衬底上实现谐振器结构。

图3:声波在3:BAW滤波器中的垂直传播。

为了防止声波传播到基板，通过堆叠具有不同刚度和密度的薄层来形成布拉格反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR装置(图4)。另一种称为薄膜体声波谐振器(FBAR)的方法是在有源区下刻蚀一个空腔，形成一个浮膜。

图4:baw-SMR装置。

由于这两种BAW滤波器的声能密度很高，而且其结构能够很好地引导和限制声波，所以损耗很低。在微波频率下，BAW可实现的Q值高于同等体积的任何其他滤波器，[email protected]�有优异的抑制和插入损耗的性能。

尽管BAW和FBAR滤波器的制造成本较高，但它们的性能优势非常适合具有挑战性的LTE频段和PCS频段，这两个频段在发射和接收路径之间只有20MHz的狭窄过渡范围。滤波器微信微信官方账号认为，BAW IDT和FBAR的滤波器可以做得足够大，[email protected]��静电放电能力，[email protected]

随着频谱拥塞导致保护频带变窄甚至放弃的趋势，对高性能滤波器的需求显著增加。BAW技术使得人们可以设计出滤波器裙边非常陡峭、抑制性能高、温度漂移小的窄带滤波器，非常适合处理相邻频段之间非常困难的干扰抑制问题。TriQuint和其他滤波器制造商的工程师正在努力实现带宽为4%或更高、损耗更低、TCF基本为零的BAW-SMR滤波器。

BAW器件的制造工艺步骤是声表面波器件的10倍，但因为它们是在更大的晶片上制造的，所以每个晶片生产的BAW器件大约多4倍。即便如此，BAW的成本仍然高于声表面波。然而，对于2GHz以上的一些具有挑战性的频带，BAW是唯一可用的方案。因此，BAW滤波器在3G/4G智能手机中的份额正在快速增长。

BAW-SMR滤波器底部电极下使用的声学反射器使其能够在FBAR面临挑战的频带中具有优化的带宽性能。反射器中使用的二氧化硅也显著降低了BAW的整体温度漂移，远优于BAW甚至FBAR。因为谐振器位于固体材料块上，所以它的散热比FBAR好得多，后者使用薄膜，只能通过边缘散热。这使得BAW设备能够实现更高的功率密度，不久将有10W设备可用于小型基站应用。

BAW滤波原理示意图

BAW-SMR

固体安装谐振器是在振动结构下形成的布拉格反射器，用于将声波反射到压电层中。反射器由几层高低阻抗交替组成，例如第一层的声阻抗大，第二层的声阻抗小，第三层的声阻抗大，每层的厚度为声波的λ/4，这样大部分的波会被反射回来，与原始波叠加。这种结构的整体效果相当于与空气体接触，大部分声波被反射回来。这个建筑叫做BAW-SMR。

FBAR

薄膜体声波谐振器，包括薄膜型和气隙型。

膜类型是从衬底回到表面(即底部电极表面)，形成薄膜和悬浮的空腔。

膜式类似于BAW谐振器的基本模型，两侧有空气体。由于空气体的声阻抗远低于压电层的声阻抗，大部分声波都会被反射回来。然而，薄膜结构需要足够坚固，以便在后续过程中不受影响。与BAW-SMR相比，薄膜型

一小部分与下面的基板接触，不利于散热。

在气隙型中，在制造压电层之前沉积辅助层，最后去除辅助层以在振荡结构下形成气隙。

由于只有边缘部分与底层基板接触，这种结构在压力下相对脆弱，与膜式类似，散热也需要注意。

BAW滤波器类别

BAW滤波器可以按照一定的拓扑结构连接多个旋变器。有许多类型的滤波器，包括阶梯型滤波器、点阵型滤波器、堆叠晶体滤波器和耦合谐振器滤波器。这里只简单介绍阶梯型和点阵型。

梯形(最后提到的声表面波)使用的分解器包括串联和并联。串联旋变加并联旋变称为一级，整个梯形滤波器可以由几级组成。

在了解梯形滤波器的工作原理之前，我们先来看看BAW谐振器的基本模型，如下图所示。

的典型基本结构如上图(a)所示，压电层夹在上下金属电极之间，对应的mBVD等效电路如上图(b)所示，对应的阻抗如上图(c)所示。可以看出有两个谐振频率，串联(fs)和并联(fp)。工作原理如下。