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SAW和BAW之间的滤波差异是什么

作者:爱普生代理江苏南山 发布时间:2021-06-08分类:基础知识浏览:18次

基于 SAW 和 BAW 技术的组件都采用声波,但方式不同,性能水平也不同,尤其是在较高频率下。

声波似乎超出了射频/微波设计的有用范围,但这种低频波在高频系统中非常有效。它们构成了声表面波 (SAW) 和体声波(BAW)谐振器、滤波器、晶体振荡器和延迟线的基础。基于这些技术的组件已进入许多应用,从汽车导航系统和智能手机到军用雷达系统。

SAW 和 BAW组件提供了纯电子组件所没有的特殊特性,具有高性能水平。但是它们有什么不同呢?什么条件有利于 SAW 滤波器而不是 BAW 滤波器,反之亦然?

SAW 和 BAW 组件均采用叉指式换能器 (IDT) 将电能转换为机械声波,然后再转换为电能,从而实现声学领域的信号处理。考虑到射频/微波频率如何转换为较短波长的声学信号,可以为处理高频电磁 (EM) 信号的 SAW 结构创建极小的滤波器和谐振器。

然而,这些小的结构特征终限制了实际制造 SAW 滤波器(声表面波滤波器)或谐振器(声表面波晶体谐振器)的高端频率。由于小型结构中的高电流密度,功率处理能力也变得有限。

不同但互补

在 SAW 组件中,声波穿过弹性压电材料的表面,其波幅通常随着进入基板材料的深度呈指数衰减。

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这种声波现象由瑞利勋爵于 1885 年首次发现,他用它来解释地震后声波如何沿着地球表面传播。因此,穿过 SAW 滤波器的声波有时被称为瑞利波。相比之下,BAW 组件中的声波穿过压电材料并存储在压电材料中。

如果有的话,SAW 和 BAW 是互补的技术。在 SAW 换能器的尺寸变得无法控制之前,诸如滤波器之类的 SAW 组件可以制造到大约 2.0 或 2.5 GHz。另一方面,BAW 组件有时被称为“高频 SAW”,可用于 2.7 GHz 及更高频率的滤波、延迟线和其他功能。对于某些应用,例如长期演进 (LTE) 无线系统,SAW 和 BAW 滤波器都起作用;在这种情况下,分别在较低频段和较高频段。

众所周知,声表面波滤波器比体声波滤波器更容易随温度漂移,因此一些设计人员在必须在宽工作温度范围内使用的电路或系统中选择体声波滤波器。然而,近年来,许多 SAW 制造商开发了温度补偿或对温度更不敏感的 SAW 滤波器,即使在较宽的工作温度范围内也能提供稳定的频率工作。

压电是主要材料

SAW 和 BAW 组件依靠压电材料来传递或存储声能,材料的选择对滤波器或谐振器的性能有很大影响。在任一类型的组件中,压电材料层通常由顶部和底部金属层制成,并安装到基板材料上以保持稳定性。SAW 元件的压电材料必须表现出*佳的机械和电气性能。

表面波的运动会随着基板材料的类型而变化,例如铌酸锂 (LiNbO3) 或钽酸锂 (LiTaO3)。一种因其可制造性和性能水平而获得广泛认可的压电材料是氮化铝 (AlN)。除了 SAW 和 BAW 器件之外,压电材料还用于制造微机电系统 (MEMS) 组件。

压电材料还可以支持 SAW 滤波器的不同带宽,具体取决于类型。已发现基本石英材料适用于低带宽滤波器,而钽酸锂适用于中等带宽品种。铌酸锂通常用于具有宽带宽的 SAW 滤波器。然而,与大多数高频组件一样,这些材料会产生其他权衡以换取此类性能特征。特别是,铌酸锂以高温依赖性和比其他一些压电材料更高的损耗而著称。

为了形成 SAW 或 BAW 滤波器或谐振器,不同类型的金属薄膜沉积在压电材料的顶部和底部。这些金属包括铝 (Al) 和钨 (W),分别用于较低和较高的功率水平。在此类声学组件中,谐振频率与薄膜厚度成反比,金属层和介电层都有助于确定谐振频率。例如,去除一些顶层金属厚度可以增加谐振频率。

在压电材料中存储声波能量有其优点。在较高频率下,体声波谐振器能够实现转化为高选择性滤波器的高品质因数 (Q)。例如,对于带通滤波器,通过非常尖锐的滤波器裙边可以实现低通带插入损耗。这实现了对靠近所需通带的信号的高度抑制,这已成为许多无线通信标准的情况。BAW 滤波器往往比 SAW 滤波器更适合更高功率电平的信号,因为其精细的电路特性会在更高功率电平下受到电迁移性能下降的影响。

作为延迟线,这两种技术在其频率范围内都是有效的,SAW 延迟线的尺寸比 BAW 延迟线要小一些,而且成本更低。声表面波延迟线的工作频率低于体声波延迟线,并且与体声波延迟线相比,它们可以引入电路或系统的延迟时间量有所限制。

什么可用?

作为频率谐振器或振荡器,SAW 具有极低的噪声性能,具有出色的相位噪声。例如,以晶体振荡器和锁相振荡器而闻名的 Synergy Microwave Corp. 还提供一系列频率约为 2 GHz 的 SAW 振荡器。该公司的 HFSO800-5H 压控 SAW 振荡器在 +0.5 至 +5.0 V dc 的 20 mA 电流下运行时可提供 800 MHz 的稳定输出。它表现出极低的单边带 (SSB) 相位噪声 –150 dBc/Hz,仅与载波偏移 10 kHz。该振荡器和 SAW 振荡器系列中的其他成员采用紧凑的表面贴装器件 (SMD) 封装。

对于更高的频率,Vectron International 的 VS-401 型压控 SAW 振荡器可用于 1.3 至 2.5 GHz 的光接收器和数据转换器。对于 1.75 GHz 的频率,SSB 相位噪声为 –119 dBc/Hz,偏离载波 10 kHz。它采用 13 × 20 毫米 SMD 封装,但该公司提供表面贴装、通孔和配备连接器的封装的 SAW 滤波器和振荡器。

一个明显的趋势是设计和生产更小的 SAW 和 BAW 组件,以尽可能减少电路的占用空间和重量。随着电子终端产品不断向更小、更轻、更便携的方向发展,组件设计人员在开发相应的更小、更轻的信号处理组件(例如滤波器)方面感受到了更大的压力。Qorvo 近推出的 SAW 和 BAW 滤波器证明了这一点。

在另一个示例中,Qorvo 和 RFMW Ltd. 宣布推出 TriQuint 的 885128 型 BAW 滤波器,用于 2.4 GHz 多种无线标准的共存,特别是 WLAN、Wi-Fi 和蓝牙系统。BAW 滤波器允许无线技术与第四代 (4G) 长期演进 (LTE) 无线通信系统共存。

885128 采用该公司的 LowDrift 和 NoDrift 温度稳定技术,可在 –40 至 +95°C 的工作温度范围内*大限度地减少频率漂移。它在尺寸仅为 1.1 × 0.9 × 0.5 mm 的 SMD 外壳中处理高达 4 W (+36 dBm) 的输入功率(图 1)。

同时,Qorvo 和 RFMW 推出了更高频率的型号 857271 456-MHz SAW 滤波器。它在 456 MHz 的中心频率下提供 39.6-MHz、1.4-dB 的带宽,用于 WCDMA/LTE 应用。它采用陶瓷表面贴装封装,尺寸为 7.01 × 5.51 × 1.70 mm。

作为 SAW 和 BAW 组件的简单“区别”,BAW 设备可以处理比 SAW 组件更高的频率和更高的功率水平,尽管 SAW 组件的成本往往较低。当然,在 Qorvo 示例中,两种滤波器类型均采用外观相似的 SMD 封装,尽管滤波器的中心频率存在显着差异。一般而言,这些技术不同但非常互补,在同一系统设计中使用两种技术的组件并不罕见。

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