SAW滤波器从不切实际的离散实现中拯救无线产品
滤波器一直是射频信号通路中必不可少的组成部分。在过去，工程师必须熟练掌握滤波器设计理论和实践的复杂性，以便基于分立元件创建真正的滤波器。然而，今天的无线设备和应用程序，所需的过滤器的规格是满足使用这种方法为射频频谱越来越拥挤越来越困难，切成小长条，当工作频率的提高，以及超越GHz的门槛。现实的情况是，采用分立元件滤波器不能满足性能、一致性(由于寄生)，大小，和今天的许多射频产品成本的需要。
幸运的是，像声表面波(SAW)滤波器这样的单片集成器件在过去几十年中得到了发展，并提供了所需的功能和特性。有了SAW滤波器，工程师们首先关心的是作为一个完整的实体选择滤波器，而不是滤波器设计。SAW滤波器提供了性能、尺寸和成本的良好组合，广泛应用于Wi-Fi、LTE、GSM、蓝牙和许多其他无线标准的应用中。
多频带智能手机可以有十个或更多的SAW滤波器，在系统级以及高度局部化的子电路中实现许多功能：宽带、窄带、通带、低通和高通，如图1所示。结果，工程师们与过滤器相关的活动已经从复杂的设计和相关的测试/调试工作转向了选择一个合适的、可用的过滤器(这对大多数工程师来说是一件好事)。
蜂窝电话中SAW器件的图像
图1：SAW滤波器在无线设备中大量使用，用于前端滤波、窄带多频带滤波和消除特定干扰源;它们可以窄或宽，具有带通、低通和高通FIR特性。(凯利讯半导体提供)
SAW滤波器的基础知识
声表面波器件将电子射频信号能量转化为声域中的机械能。过滤器是基于作为基片的压电材料，如石英、铌酸锂、钽酸锂、或硅酸镓镧。该基板的两端用一个雕刻的金属层作为电声换能器，由梳状的手指作为叉指换能器(IDT)形成，如图2所示。
叉指换能器图像
图2：压电基片两端的梳状叉指换能器将冲击电能转换为声机械能，然后能量波穿过表面，在接收端由IDT转换回电能。
电信号被施加到器件的一端，由IDT源转换成声能，并在压电材料表面发射，表面声波传播(称为Lord Rayleigh之后的瑞利波，详细分析了它们)。然后，能量通过一个相似但并不完全相同的IDT转换为远端的电子信号，以捕获能量。幸运的是，整个电气/声学和互补的声学/电转换过程是高效的，达到99%或更好;这有助于保持信噪比和信号完整性。
SAW滤波器的结果来自于建设性的和破坏性的干扰，由于波的延迟，当波穿过表面在3000米到12000米/秒(取决于衬底材料)时发生。接收端的延迟输出结合在一起，产生有限脉冲响应(FIR)滤波器响应。声能的传播速度远比电的传播速度慢，因而具有机械可行的尺寸。通过调整IDT手指的移动距离和尺寸，以及由此产生的脉冲响应，SAW器件的驻波干涉图案建立了所需的滤波器中心频率、带宽、类型和其他因素。
注意，SAW在基本概念和实现方面与传统的全电子、基于RLC的滤波器完全不同，它不仅仅是一个集成电路，也就是RLC型滤波器的单片重新创建。然而，制造过程在许多方面与标准集成电路相似，因此SAW器件利用了成熟的技术、投资和制造专门知识。像RLC滤波器一样，它是无源器件，不需要电源。
体声波(BAW)滤波器和FBAR(薄膜体声波谐振器)相似，首先出现的SAW器件，但有一些重要的差异。在BAW器件、声能量通过压电基板建立驻波，而不是在表面，如在SAW滤波器。谐振器是一个变化的定量方法;采用蚀刻腔内悬浮膜结构来实现所需的共振，因此，滤波。总的来说，SAW器件充其量只适合进入个位数千兆赫范围，而BAW器件是一个更好的选择，在几个GHz的高。
虽然标准见(和BAW)设备是固定频率的设备，工作是让他们执行的可调谐滤波器和可接受的性能;有些工作利用MEMS技术。这样，一个设备就可以被指示改变它的工作频率“飞行”服务多个波段，在成本和空间节省方面有明显的优势。
SAW滤波器的参数
选择SAW滤波器时的主要参数与传统滤波器相似(图3)。这些包括中心频率、带宽、插入损耗、衰减、功率处理和温度稳定性。由于其性能良好、成本低、体积小，数十家厂商每年生产数十亿台这种设备(其中许多是大容量供应商，但其名称一般不为人所知)，有数万种型号。
声表面波器件的频率特性图像
图3：与传统的无源RLC滤波器一样，滤波器性能的关键参数是中心频率、带内插入损耗和带外衰减。(凯利讯半导体提供)
因此，很难引用典型的SAW规范，因为每个可用的设备都有诸如带宽窄、损耗大的折衷方案;没有SAW设备在所有参数中都有“最佳”规范。SAW中心频率跨度约50兆赫到几千兆赫，带宽在中心频率的10%到1之间。插入损耗在3到30分贝之间，回波损耗可以在10到30分贝之间。
一般来说，SAW器件不打算用作大功率信号的滤波器，但通常可以处理10到30 dBm的信号。许多设计师非常关注的是他们的频率温度系数(温度系数)，它可以在许多情况下的问题。一个SAW器件具有典型的温度系数- 50 ppm /⁰C.也有更先进的(因此更昂贵)的温度补偿看到配置，具有tempcos低至15 - 25 ppm /⁰C.
零件表现出不同的性能
用于普通应用的SAW滤波器的两个例子，分别针对特定的应用程序利基，显示了成千上万可用单元之间的多样性。从太阳诱电的f6qa1g585m2at是50Ω，单端设计的GPS / GLONASS卫星接收设备，有1565.42至1605.886兆赫的频带。在这种通带内插入损耗在1至2分贝之间，如图4所示，在通带外明显增加超过30分贝。该过滤器被安置在一个1.1×0.9×0.5毫米厚的包。
看到太阳诱电滤波图像f6qa1g585m2at
图4：这f6qa1g585m2at看到太阳诱电滤波器中使用的GPS / GLONASS接收机进行了优化，与通带集中在1585.653 MHz和40 MHz的急剧下滑的带外。
RF设计者感兴趣的是史密斯图所示的输入阻抗和输出阻抗，如图5和图6所示，与SAW滤波器两侧电路的阻抗匹配所需，以最大限度地减少驻波(驻波)和反射。
功能块阻抗匹配图像
图5：射频电路设计者总是关心阻抗之间的功能块匹配，所以f6qa1g585m2at数据表包含的输入阻抗特性的史米斯图。
史米斯的f6qa1g585m2at图图像
图6：关键的f6qa1g585m2at输出阻抗圆图。
低得多的频率，如用于点对点的短距离无线链路，从RF单片的rf2040e是在中心频率为910 MHz，靶向通操作902和928兆赫之间。它的1分贝带宽为31兆赫，而插入损耗为2分贝(典型)和3分贝(最大值)。靠近通带的衰减是37分贝(图7)，从通带进一步增加到48分贝(图8)。请注意，此滤波器在通带中相对平坦，具有典型的纹波约0.7分贝(图9)。
村田射频单片rf2040e图像滤波器
图7：村田射频单片rf2040e SAW滤波器响应从865到965 MHz的1 dB带宽随着任一侧上的通带的非对称反应。
对村田rf2040e衰减图像
图8：远离通带的衰减，对rf2040e在200至2000兆赫20个增加的范围为30分贝，较接近通带。
带内纹波
图9：通带内的纹波是紧密的1分贝，保持振幅失真低，简化信号处理。
输入阻抗为50Ω，而输出阻抗为130Ω;再次，供应商提供的输入和输出的史米斯图辅助阻抗匹配(图10和图11)，分别为。最大输入功率为15 dBm的这3×3毫米引脚封装，只有1毫米厚。
史米斯村田rf2040e输入图
图10：输入的rf2040e史米斯图是关键的匹配时，尽量减少损失和反射前端输入放大器与SAW滤波器的输入。
村田rf2040e 50Ω标称输入阻抗图像
图11：而rf2040e有50Ω标称输入阻抗，输出阻抗为130Ω;设计师必须考虑到这一阶段，为后续的匹配。
总结
在所有的无线和有线信号处理系统中，滤波器是至关重要的。如果过滤器必须由分立电阻器、电容器和电感器，今天的高性能和功能包装的射频设计不会由于尺寸，成本，最重要的是可能的，寄生效应在物理过滤器实现的不利和不可预知的影响。幸运的是，在压电材料SAW滤波器上使用表面波的声学/电子滤波器允许集成电路设计和制造技术被用来设计高性能的无源单片滤波器，这种滤波器体积小、可预测、成本非常低，并能满足特定的应用要求。因此，射频应用中滤波器设计的工程任务已经转变为滤波器的选择，一个更简单、更快速的过程。