5G時代——SAW濾波器

5G時代——SAW濾波器

SAW濾波器是聲表面波濾波器的簡稱,是採用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料,利用其壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而製成的一種濾波專用器件,廣泛應用於電視機及錄像機中頻電路中,以取代LC中頻濾波器,使圖像、聲音的質量大大提高。聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)就是在壓電基片材料表面產生和傳播、,且振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。

原理

SAW濾波器的結構如圖所示。它由壓電材料製成的基片及燒製在其上面的梳狀電極所構成。當給聲表面波濾波器輸大端輸入信號後,在電極司壓電材料表面將產生與外加信號頻率相同的機械振動波。該振動波以聲波速度在壓電基片表面傳播,當該波傳至輸出端時,由輸出端梳狀電極構成的換能器將聲能轉換成交變電信號輸出。

從上面介紹不難看出,SAW濾波器是由兩個換能器組成的,輸入端換能器將電能轉換成聲能發出聲表面波,而輸出端換能器則是將接收到的聲表面波聲能轉換成電能輸出。聲表面波濾波器就是利用壓電基片上的這兩個換能器來產生聲表面波和檢出聲表面波的,以完成濾波的作用。

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、製作的器件體積小、重量輕(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,正適應了現代通信系統設備及便攜式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:所需基片材料價格昂貴,另對基片的定向、切割、研磨、拋光和製造工藝要求高。

阻抗匹配

對高頻電路而言,電路之間的電感匹配很重要。電感匹配是指在信號的傳輸線路上,讓發送端電路的輸出阻抗與接收端電路的輸入阻抗一致,匹配後,可以超大限度地把發送端的電力傳送到接收端。

匹配電路使用電容器和電感器,但是實際的電容器和電感器與理想的元件不同,有損耗。表示該損耗的有Q值。Q值越大,表示電容器和電感器的損耗就越小。

電感的Q值與高頻電路的損耗

匹配電路中使用的電感器的Q值的大小,對高頻電路的損耗也會產生影響。

為了確認此事,我們採用了SAW濾波器 (通頻帶800MHz頻段) 和RF電感,在匹配電路中換裝Q值不同的RF電感,測量和比較了SAW濾波器的插入損耗。

圖1表示電路圖。此次的電路,雖說是匹配電路,但是隻有一個RF電感器。

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圖1: SAW濾波器與匹配電路

圖2表示此次進行了換裝的RF電感的Q值的頻率特性,表1表示結構、尺寸、Q值 (800MHz時的Typ.值)

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圖2: RF電感的Q值比較 (均為7.5nH)

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換裝匹配電路的RF電感時的SAW濾波器的整體特性見圖3,通頻帶特性見圖4。

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圖3: SAW濾波器的整體特性

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圖4: SAW濾波器的通頻帶特性

從圖4的通頻帶特性來看,可以確認SAW濾波器的插入損耗因所使用的RF電感而異。高頻電路的這種水平的損耗越來越重要。

從此次的實驗結果可知,RF電感的Q值越大 (損耗越小) ,SAW濾波器的插入損耗就越小。也就是說,電感器損耗的大小就是包括匹配電路在內的SAW濾波器損耗的大小。

請注意,使用的高頻元件 (此次為SAW濾波器) 、匹配電路、頻段等不同,損耗也將各異。

電感的偏差與對匹配電路的影響

另外,實際的電感器的阻抗值為1.0nH、1.1nH、1.2nH之類的不連續值。進行匹配時,有時必須採用細緻的常數步驟進行微調。同時,阻抗值的偏差 (標準離差) 會變成匹配的標準離差,為了滿足必要特性,有時需要偏差小的電感器。本公司的電感器當中,薄膜型LQP系列最符合細緻的常數步驟和偏差小的要求。

根據以上情況,有必要對SAW濾波器的整合迴路RF電感的Q特性、偏差值、尺寸、成本等方面,進行比較討論之後做出選擇。在貼裝空間有剩餘的情況下,Q值偏高的卷線電感LQW15/LQW04為理想的選擇。此外,貼裝空間有所限制的情況下,小尺寸0603、擁有較高Q值的LQP03HQ/LQP03TN_02為理想的選擇。


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