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關(guān)于SAW與BAW RF濾波器

Piezoman壓電俠 ? 2024-12-26 11:42 ? 次閱讀

為何需要RF濾波器?

射頻(RF)濾波器是所有RF/微波系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件,特別是具備多個(gè)信道或頻段的無(wú)線通信系統(tǒng)。RF濾波器的主要功能是衰減某些不需要頻段中的信號(hào),而只對(duì)所需頻段中的信號(hào)產(chǎn)生最小的影響。

RF濾波器至關(guān)重要,因?yàn)樵谠S多情況下,不良信號(hào)(稱為干擾)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能下降甚至損壞。在無(wú)線通信系統(tǒng)中,接收器輸入端使用各類RF濾波器來(lái)衰減所需頻段之外的信號(hào)。

RF濾波器還用于減少來(lái)自發(fā)射器電路的諧波、雜散內(nèi)容和帶外泄漏。在智能手機(jī)等現(xiàn)代電子產(chǎn)品的許多應(yīng)用場(chǎng)景下,這些設(shè)備均配備數(shù)種無(wú)線通信技術(shù),如果不使用RF濾波器進(jìn)行適當(dāng)隔離,這些技術(shù)間可能會(huì)產(chǎn)生相互干擾——即所謂的共存設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)(圖1)

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圖1:5G智能手機(jī)示例圖

哪些應(yīng)用需要RF濾波器?

由于大多數(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)的緊湊設(shè)計(jì)限制了物理隔離,工程人員采用RF濾波器來(lái)增強(qiáng)所需的隔離效果,并確保這些產(chǎn)品符合必要的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)可以是國(guó)家和國(guó)際監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的規(guī)范,例如美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)和全球電子通信委員會(huì)(ECC),以及Wi-Fi、4G/5G、藍(lán)牙?和Zigbee等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。許多現(xiàn)代電子產(chǎn)品還部署了要求額外濾波的特定功能,如全球定位系統(tǒng)(GPS)和其它地理定位技術(shù),以及近場(chǎng)通信(NFC)技術(shù)。 考慮到現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)尺寸極其緊湊的特點(diǎn),也因此需要高度緊湊的濾波器;即便如此,這些濾波器仍要求較高的Q因數(shù)(品質(zhì)因數(shù)),并可以很容易地集成至濾波器組,來(lái)用于多頻段濾波應(yīng)用。在許多情況下,每個(gè)頻段都需要不同的RF濾波器,以盡量減少串?dāng)_并減輕非線性。為滿足這一需求,工程師們經(jīng)常使用聲波濾波器(AWF)。 本質(zhì)上,AWF由壓電基板上的電聲換能器構(gòu)成,可以將電能轉(zhuǎn)化為聲能/機(jī)械能,反之亦然?;谶@種方式,AWF將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào),然后通過(guò)聲學(xué)諧振器和濾波技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),最終轉(zhuǎn)換回高頻信號(hào)。與其它電磁濾波器技術(shù)相比,其優(yōu)勢(shì)在于聲波現(xiàn)象比電磁濾波現(xiàn)象大約小五個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)際上,這些因素導(dǎo)致聲學(xué)濾波器在類似的性能下可以比傳統(tǒng)電磁濾波器小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

AWF包含兩種主要類型——BAW濾波器和SAW濾波器——其使用叉指式換能器轉(zhuǎn)換電和聲學(xué)信號(hào)。BAW濾波器引導(dǎo)信號(hào)能量通過(guò)基板的主體,而SAW濾波器引導(dǎo)信號(hào)能量沿基板表面?zhèn)鬟f。雖然這種區(qū)別起初看起來(lái)很簡(jiǎn)單,但現(xiàn)實(shí)中,不同的方法會(huì)導(dǎo)致性能和頻率能力的顯著差異。

由于制造過(guò)程主要包括表面結(jié)構(gòu)的開發(fā),SAW濾波器的設(shè)計(jì)和制造通常不那么復(fù)雜。相反,BAW濾波器則需要精確控制基板厚度與分層結(jié)構(gòu),例如在堆疊中精確間隔的聲反射器。

然而,由于表面電聲轉(zhuǎn)導(dǎo)的物理限制,與BAW濾波器相關(guān)的相對(duì)尺寸和物理特性允許它們能夠被設(shè)計(jì)成比SAW技術(shù)更高的頻率操作和更高的Q因數(shù)。此外,BAW濾波器可以利用與標(biāo)準(zhǔn)IC加工系統(tǒng)兼容的技術(shù)制造,并且通常表現(xiàn)出更高的功率處理能力。盡管有些SAW濾波器技術(shù)結(jié)合了溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)功能,或以其它方式制造,以盡量減少溫度敏感性,但BAW濾波器的溫度漂移仍比SAW濾波器低。

一般來(lái)說(shuō),SAW濾波器可以在實(shí)際中制造用于2000MHz或2500MHz的頻率,相比之下,BAW濾波器可達(dá)到10GHz甚至更高。

工程師何時(shí)會(huì)使用BAW與SAW?

在為特定應(yīng)用選擇濾波器時(shí),必須了解濾波器應(yīng)用的要求并解讀濾波器的電氣規(guī)格。每個(gè)濾波器應(yīng)用都會(huì)對(duì)中心頻率、帶寬、所需信號(hào)電平和抑制要求等提出需求。系統(tǒng)工程師通常會(huì)列出這些系統(tǒng)要求,工程人員在選擇濾波器時(shí),要確保濾波器在保持預(yù)算的前提下滿足這些要求,并制定一個(gè)將濾波器納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的計(jì)劃。對(duì)于現(xiàn)代無(wú)線設(shè)備,通常涉及到設(shè)計(jì)由許多濾波器組成的濾波器組,以滿足嚴(yán)格的要求和符合無(wú)線與監(jiān)管機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

工程師何時(shí)會(huì)使用BAW與SAW?

在為特定應(yīng)用選擇濾波器時(shí),必須了解濾波器應(yīng)用的要求并解讀濾波器的電氣規(guī)格。每個(gè)濾波器應(yīng)用都會(huì)對(duì)中心頻率、帶寬、所需信號(hào)電平和抑制要求等提出需求。系統(tǒng)工程師通常會(huì)列出這些系統(tǒng)要求,工程人員在選擇濾波器時(shí),要確保濾波器在保持預(yù)算的前提下滿足這些要求,并制定一個(gè)將濾波器納入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的計(jì)劃。對(duì)于現(xiàn)代無(wú)線設(shè)備,通常涉及到設(shè)計(jì)由許多濾波器組成的濾波器組,以滿足嚴(yán)格的要求和符合無(wú)線與監(jiān)管機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

以下為RF濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵電氣規(guī)格:

濾波器類型(低通、高通、帶通、陷波/通抑制)、通帶頻率(Hz)、抑制頻率(Hz)、抑制或帶外抑制(dB)、衰減(dB)、插入損耗(dB)、隔離度(dB)、選擇性(dB)、Q因數(shù)、紋波(dB)、輸入功率處理(dB)、輸入和輸出阻抗匹配(歐姆)

大多數(shù)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)帶通濾波器與其它幾個(gè)帶通濾波器串聯(lián)使用,以實(shí)現(xiàn)多頻段濾波。這已成為SAW和BAW濾波器一個(gè)應(yīng)用廣泛的典型場(chǎng)景,因?yàn)榕c其它濾波器技術(shù)相比,其緊湊的尺寸允許相對(duì)較小的濾波器組。

這些帶通濾波器的作用是減少接收器所接觸到的帶外信號(hào)內(nèi)容。這是一個(gè)重要的功能,因?yàn)閹忸l率內(nèi)容會(huì)形成具有較低信噪比(SNR)或較高誤碼率(BER)的脫敏接收器。此外,濾波器常用在發(fā)射器輸出端,以減少由相對(duì)較高功率的發(fā)射器設(shè)備產(chǎn)生的非線性結(jié)果,如諧波和尖峰。

濾波器的這一輔助應(yīng)用增強(qiáng)了鄰道泄漏比(ACLR)和鄰道功率比(ACPR)。此外,通過(guò)此種濾波器使用方式,原本無(wú)法通過(guò)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的無(wú)線發(fā)射器可能會(huì)通過(guò)測(cè)試,而無(wú)需大量的重新設(shè)計(jì)工作。

還有一些情況是,一部已被設(shè)計(jì)和部署的無(wú)線通信系統(tǒng)在早期評(píng)估中并未被發(fā)現(xiàn)實(shí)地運(yùn)行時(shí)會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。在這種情況下,如果能夠通過(guò)更嚴(yán)格的濾波來(lái)解決,則可以利用增強(qiáng)的濾波器來(lái)升級(jí)無(wú)線電,以緩解這些問(wèn)題。例如,如果無(wú)線電在關(guān)鍵工作頻段附近遇到干擾,那么具備更高Q因數(shù)和更佳的帶外抑制能力的濾波器將帶來(lái)比現(xiàn)有濾波器更好的操作。

一般來(lái)說(shuō),SAW濾波器比BAW濾波器便宜,而且市場(chǎng)上存在大量的SAW濾波器可供選擇。SAW濾波器一般不提供超過(guò)250MHz的工作頻率。然而,如果設(shè)計(jì)中需要最強(qiáng)的性能或更高的工作頻率(例如,在3G、4G、Wi-Fi 6E和sub-6GHz 5G的更高頻率),那么BAW濾波器是更好的選擇(圖2)。BAW濾波器的設(shè)計(jì)通常是為了獲得相比SAW濾波器更高的頻率操作和更優(yōu)秀的通帶衰減、帶外抑制、功率處理,以及Q因數(shù)。

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是否有針對(duì)特定應(yīng)用的專用濾波器?

SAW和BAW濾波器必須精確設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)所需的操作。針對(duì)某個(gè)特定應(yīng)用,可以定制SAW和BAW濾波器并量產(chǎn)。幸運(yùn)的是,BAW和SAW濾波器制造商非常傾向于設(shè)計(jì)并量產(chǎn)滿足Wi-Fi和4G LTE/5G等各類市場(chǎng)和應(yīng)用需要的專用SAW和BAW濾波器。特定的BAW和SAW濾波器也是為了應(yīng)對(duì)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)共存的突出挑戰(zhàn),如Wi-Fi和低功耗藍(lán)牙?(LE)。

結(jié)論

RF濾波器是現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件;它們衰減不需要的頻段,以盡量減少干擾并確保系統(tǒng)的正常功能。由于技術(shù)的物理限制,RF濾波器并不總十分理想,并可能會(huì)導(dǎo)致通帶頻率的一些損失。聲波濾波器,特別是BAW和SAW濾波器,由于其小尺寸和高Q因數(shù)而成為備受歡迎的選擇。SAW濾波器的設(shè)計(jì)和制造并不非常復(fù)雜,而BAW濾波器帶來(lái)更高的頻率操作和更強(qiáng)的Q因數(shù)性能。工程師們必須考慮其濾波應(yīng)用的要求和濾波器的電氣規(guī)格——如濾波器類型、通帶、阻帶,和插入損耗——來(lái)為他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇合適的濾波器。

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