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聲表面濾波器

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1概述

是在一塊具有壓電效應的材料基片上蒸發一層金屬膜,然後經光刻,在兩端各形成一對叉指形電極組成。當在發射換能器上加上信號電壓后,就在輸入叉指電極間形成一個電場使壓電材料發生機械振動(即超聲波)以超聲波的形式向左右兩邊傳播,向邊緣一側的能量由吸聲材料所吸收。在接收端,由接收換能器將機械振動再轉化為電信號,並由叉指形電極輸出。

2結構、符號和原理

表面波濾波器的結構示意圖及符號如下圖所示。它是以石英、鈮酸鋰或釺鈦酸鉛等壓電晶體為基片,經表 面拋光后在其上蒸發一層金屬膜,通過光刻工藝製成兩組具有能量轉換功能的交叉指型的金屬電極,分別稱為輸入叉指換能器和輸出叉指換能器。當輸入叉指換能器 接上交流電壓信號時,壓電晶體基片的表面就產生振動,並激發出與外加信號同頻率的聲波,此聲波主要沒著基片的表面的與叉指電極升起的方向傳播,故稱為聲表 面波,其中一個方向的聲波被除數吸聲材料吸收,別一方向的聲波則傳送到輸出叉指換能器,被轉換為電信號輸出。
聲表面波濾波器具有工作頻率高、通頻帶寬、選頻特性好、體積小和重量輕等特點,並且可採用與集成電路相同的生產工藝,製造簡單,成本低,頻率特性的一致性好,因此廣泛應用於 各種電子設備中。
在聲表面波濾波器中,信號經過電-聲-電的兩次轉換,由於基片的壓電效應,則叉指換能器具有選頻特性。顯然,兩個叉指換能器的共同作用,使聲表面波濾波器的選頻特性較為理想。下圖為聲表面波濾波器的幅頻特性。

3應用及發展

SAW濾波器的特點
SAW濾波器的主要特點是設計靈活性大、模擬/數字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇性優良(可選頻 率範圍為10MHz~3GHz)、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾(EMI)性能好、可靠性高、製作的器件體小量輕,其體積、重量分別是陶瓷 介質濾波器的1/40和1/30左右,且能實現多種複雜的功能。SAW濾波器的特徵和優點,適應了現代通信系統設備及攜帶型電話輕薄短小化和高頻化、數字 化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之處是所需基片材料的價格昂貴,對基片的定向、切割、研磨、拋光和製造工藝要求高。受基片結晶工藝苛刻和製造精度 要求嚴的影響,日本富士通、三洋電器、豐田等少數幾家掌握壓電基片生產技術的製造商壟斷了世界SAW濾波器市場。富士通公司控制了行動電話用小型射頻 SAW濾波器全球市場40%左右的份額,目前其年產量在1.5億隻以上,最小的產品尺寸已達到2.5mm×2mm,重22mg,集倒裝式組件和專利諧振器 型濾波器設計於一體,使濾波器性能突破性飛躍。三洋電器公司是世界最大的視聽家電用SAW濾波器製造商之一,為保持其價格上的優勢,該公司在中國深圳設有 組裝廠,年產5000萬隻。豐田公司主要生產移動通信用SAW濾波器,可提供30多種標準型產品,均適用於表面安裝。
4.1小型片式化
SAW濾波器的小型片式化,是移動通信和其他攜帶型產品提出的基本要求。為縮小SAW濾波器的體 積,通常採取三方面的措施:一是優化設計器件用晶元,使其做得更小;二是改進器件的封裝形式,現已由傳統的圓形金屬殼封裝改為方形或長方形扁平金屬封裝或 LCCC(無引線陶瓷晶元載體)表面貼裝;三是將不同功能的SAW濾波器封裝在一起構成組合型器件以減小PCB面積,如應用於1.9GHzPCS終端 60MHz帶寬的雙頻段SAW濾波器以及近來富士通公司開發的雙帶式(可支持模擬和數字兩種模式)攜帶型手機用SAW濾波器,均裝有兩個濾波器。
4.3降低插入損耗
早期SAW濾波器的最大缺陷是插入損耗大,一般在15dB以上,這對於要求低功耗的通信設備特別是 接收前端是無法接受的。為滿足現代通信系統及其它用途的要求,人們通過開發高性能的壓電材料和改進IDT設計,使器件的插入損耗降低到3dB~4dB,最 低可達1dB。在眾多壓電材料研究成果中,最引人注目的是日本村田製作所發明的ZnO/藍寶石層狀結構基片材料,利用這種基片材料,已製造出 1.5GHzPDC用射頻SAW濾波器,其插入損耗僅1.2dB。
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