在各式各樣的消費(fèi)性電子產(chǎn)品及無線通訊產(chǎn)品(如無線電話、移動電話、移動電話基地臺、衛(wèi)星通信)等，都會牽涉到信號的接收與發(fā)射。為了確保信號的品質(zhì)，在系統(tǒng)設(shè)計時，會使用到數(shù)量不一的濾波器。

濾波器的種類很多，包括手機(jī)用RF帶SAW濾波器,PHS用IF SAW濾波器以及無線遙控車用中央門鎖裝置用SAW濾波器等。除了利用聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)傳播特性的SAW濾波器以外，尚有使用電介質(zhì)(Dielectric)陶瓷共振器的介質(zhì)濾波器、使用壓電陶瓷基板的陶瓷(Ceramic)濾波器、在陶瓷板上以厚膜印刷制作多層LC而成的積層LC濾波器、以及使用水晶基板的MCF(Monolithic Crystal 濾波器)等；各依所對應(yīng)之頻率范圍、頻率響應(yīng)特性、價格之不同而在使用上有所分別。

目前，日本富士通、三洋電器、豐田等少數(shù)幾家掌握了壓電基片生產(chǎn)技術(shù)的制造商幾乎壟斷了世界SAW濾波器的市場。富士通公司控制了移動電話用小型射頻(RF)SAW濾波器全球市場40%左右的份額，目前其年產(chǎn)量在1.5億只以上，體積最小的產(chǎn)品僅為2.5×2mm，重約22mg，集倒裝式組件和專利諧振器型濾波器設(shè)計于一體，使濾波器性能出現(xiàn)了突破性飛躍。三洋電器公司是世界最大的視聽家電用SAW濾波器制造商之一，為保持其價格上的優(yōu)勢，該公司在我國深圳設(shè)有組裝廠，年產(chǎn)5000萬只。豐田公司主要生產(chǎn)移動通信用SAW濾波器，可提供30多種標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品，均適合于表面貼裝。

聲表面波傳統(tǒng)上又稱Rayleigh wave，以紀(jì)念Lord Rayleigh于1884年發(fā)現(xiàn)此物理現(xiàn)象，是一種性質(zhì)相當(dāng)獨(dú)特的機(jī)械波，當(dāng)它沿著晶體表面行進(jìn)時，在垂直晶體表面的方向，能量會以指數(shù)形式衰減，而當(dāng)其深入超過一個波長深度時，能量密度則降為在表面時的十分之一，因此這種波在晶體表面行進(jìn)時，最主要的優(yōu)點(diǎn)就是能量能夠集中于表層。這種獨(dú)特的性質(zhì)，使得聲表面波元件可以很容易地運(yùn)用其所攜帶之能量。

1、制造原理

產(chǎn)生聲表面波最簡單的方式，就是利用叉指換能器(interdigital transducer, IDT)來直接激發(fā)聲表面波�；旧希嬷笓Q能器分為輸入及輸出兩個部份，它們是一層厚度約2000?至3500?的鋁薄膜(鋁電極)，經(jīng)由光蝕刻(photolithography)技術(shù)成型在壓電單晶材料之基板表面。當(dāng)一個信號電壓外加到輸入換能器的正負(fù)電極上時，在每對叉指(finger)之間就會建立電場，壓電基板表面受到電場的作用后，便產(chǎn)生同步耦合之上下振動，而激發(fā)出聲表面波。當(dāng)同極叉指間的距離等于聲表面波波長時，所激發(fā)的聲表面波效率最大，一般常用的壓電基板材料有石英(Quartz)、鉭酸鋰(LiTaO3)、及鈮酸鋰(LiNbO3)等。

聲表面波元件的動作原理和丟一顆石頭到池塘而激起水面波紋擴(kuò)散開來的原理相同：用二片長方形板子，讓它們浮在水面上，然后推壓其中一片板子，這時在它們之間會有水波振蕩，進(jìn)而使另一片靜止的板子振蕩。在壓電材料表面鍍兩片電極，電源信號由其中一電極輸入，這時壓電材料表面，會產(chǎn)生相同頻率的聲波，傳到另一電極時取出信號。聲波的振幅及相位完全決定于這兩片電極的幾何形狀。

SAW濾波器的作用是將射頻信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，經(jīng)過一段距離傳遞之后，再將接收之聲波信號轉(zhuǎn)換成所需的射頻信號，通常下列參數(shù)可決定SAW元件的特性：指狀電極(IDT)圖形與數(shù)目、柵狀電極(grating)圖形與數(shù)目、金屬化比值(metallization ratio)、指狀電極交叉長度(aperture)的大小、膜厚波長比值(thickness/wavelength ratio)及指狀電極與柵狀電極之間的間隙等。
　

2、SAW濾波器特性

SAW濾波器的主要特點(diǎn)是：設(shè)計靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇特性優(yōu)良(可選頻率范圍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、制作的器件體小量輕(其體積、重量分別是陶瓷介質(zhì)濾波器的1/40和1/30左右)，而且還能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。SAW濾波器的特征和優(yōu)點(diǎn)，正適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備以及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠性等方面的要求。其不足之處是：所需基片材料價格昂貴，另外對基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。受到基片結(jié)晶工藝苛刻和制造精度要求嚴(yán)的影響。

由于制造技術(shù)精進(jìn)，以及聲波物理性質(zhì)等因素，SAW濾波器的產(chǎn)品擁有下列發(fā)展特點(diǎn):
(1)以簡單的叉指狀電極及單一基板即可執(zhí)行原先傳統(tǒng)上以上百個電容、電感組成之濾波器的功能。
(2)可以用半導(dǎo)體制造技術(shù)大量制造，而有價格上的競爭力。
(3)因?yàn)槭且园雽?dǎo)體制造，在性能上產(chǎn)品有非常高的重復(fù)性，這在移動電話用的RF及IF濾波器以及窄頻、高Q值共振器尤其重要。
(4)由于聲波波速為電磁波的十萬分之一，因此這類元件在行動通訊對于小型化，質(zhì)輕，堅固及功率要求上非常符合。
(5)傳統(tǒng)聲表面波濾波器除了工作在基本波之外，也可以工作在諧波頻段，進(jìn)而提高其工作頻率而避免對于制造設(shè)備／技術(shù)的投資。
(6)Pseudo-SAW(偽聲表面波)的聲速為一般聲表面波的1.6倍左右，因此可以在制造方面放寬線寬／線疏的限制使得在同樣制造條件下，將元件工作頻率提高至GHz以上。
(7)與傳統(tǒng)的SAW比較，Pseudo-SAW的機(jī)電耦合系數(shù)大了許多，因此可以設(shè)計出大頻寬的濾波器，適合射頻前級端使用。
(8)由于LSAW(leaky-SAW)的能量是在基板表面以下傳播(相較于聲表面波是在表面以下一個波長內(nèi)傳遞，LSAW則更深入基板內(nèi)部)，因此相對于Rayleigh-SAW較不易受表面污染而影響性能。
(9)同上，以功率密度而言，比Rayleigh-SAW小，因此可以承受較高的功率而不致使IDT損壞。

3、SAW濾波器標(biāo)準(zhǔn)

表1為各手機(jī)系統(tǒng)的頻譜分配表。RF SAW濾波器的規(guī)格是標(biāo)準(zhǔn)化的，其規(guī)格是依據(jù)各國對手機(jī)系統(tǒng)所開放的頻段而定，分別在800/900MHz、1.8/1.9GHz，頻寬介于27~75MHz之間。而對于IF SAW濾波器而言，則是配合手機(jī)與晶片組廠商降頻設(shè)計所需之頻率而定，例如Motorola所用的IF SAW濾波器有400、360、282、246MHz等頻率，也就是說，IF SAW濾波器設(shè)計規(guī)格是不一致，通常是配合手機(jī)業(yè)者所使用之芯片組方案。一般而言，IF SAW濾波器頻率在400MHz以下，頻寬介于55~650kHz之間。

4、主流技術(shù)介紹

（1）通訊接收技術(shù)

GSM傳統(tǒng)超外差接收系統(tǒng)運(yùn)作過程，是將RF頻率透過混頻器轉(zhuǎn)換為IF頻率，之后再轉(zhuǎn)成基頻信號處理。因?yàn)橛须s波干擾，必須使用其他被動元件，如image reject濾波器和IF SAW濾波器。

直接轉(zhuǎn)換技術(shù)，即零中頻(Zero-IF)是將RF信號直接轉(zhuǎn)換為基頻信號，或是由基頻信號直接轉(zhuǎn)為RF信號，省略掉IF部份，因此不再需要image-reject濾波器、IF SAW濾波器，及其他附加的電路，以減少零組件的使用。實(shí)用的直接轉(zhuǎn)換技術(shù)要認(rèn)真解決時變的直流偏置(DC offset)、LO信號藉由天線泄露、增益/相位不匹配和下行正交混頻器中二次非線性失真等問題，并確保在TDMA動態(tài)范圍內(nèi)系統(tǒng)能正常工作。

無線局域網(wǎng)路(Wireless LAN)如同移動電話接收系統(tǒng)一樣，分別有傳統(tǒng)超外差接收系統(tǒng)及直接轉(zhuǎn)換接收系統(tǒng)，其中IF SAW濾波器所需頻寬較移動電話用的IF SAW濾波器為寬(調(diào)變技術(shù)及頻道間隔不同)，約在17~20MHz之間。RF SAW濾波器一般則使用陶瓷濾波器以降低成本。隨著直接轉(zhuǎn)換技術(shù)的成熟及廣泛使用，SAW濾波器在無線區(qū)域網(wǎng)路的使用將逐漸減少，雖然Intersil在IEEE 802.11a仍有超外差接收系統(tǒng)的設(shè)計。

（2）藍(lán)牙技術(shù)

在藍(lán)牙ISM 2.45GHz無線系統(tǒng)中，IF SAW濾波器(中心頻率為110.592)所需頻寬約為1MHz，中頻濾波器亦可由LC濾波器替代以降低成本。但以整體性能來看，采用IF SAW濾波器方案較佳。

（3）Front-End模組與LTCC技術(shù)

隨著手機(jī)性能要求趨向輕、薄、短、小，內(nèi)部零組件亦趨向小型化及模組化。所示為SAW濾波器模組之第一步：增加balun(balance-unbalance)功能。再進(jìn)一步則將Diplexer、T/R switch、及SAW濾波器以LTCC為基板封裝在一起，如Samsung(FEM8450T_SM2)、Conexant提出的方案。目前PA模組將Coupler等周邊線路/元件內(nèi)藏于LTCC基板內(nèi)為發(fā)展重點(diǎn)�；谏鲜鲋A(chǔ)，將PA模組及SAW濾波器的LTCC模組將更趨于普及。

5、SAW濾波器發(fā)展趨勢

(1) 新材料的應(yīng)用

兩種新的材料：LBO及Langasite已引起SAW設(shè)計者的注意，因?yàn)樗鼈冇信c鉭酸鋰(LiTaO3)相當(dāng)之機(jī)電耦合系數(shù)，并且在某些切割角度下與石英有一樣的零溫度系數(shù)。LBO會緩慢地溶解于水，而快速地溶解于酸性溶劑，因此不太適合傳統(tǒng)的SAW制造。然而這個缺點(diǎn)可以用改變制造為堿性環(huán)境而得以克服；或者在其表面鍍上薄薄一層的二氧化硅以阻止酸及水的侵蝕。然而，LBO主要缺點(diǎn)為對制造變動非常敏感，并且具有相當(dāng)大之二次溫度系數(shù)，因而不太適合要求陡峭之選擇性的IF濾波器使用。

Langasite則適合于一般之干、濕式蝕刻，剝離法(lift-off)之傳統(tǒng)的SAW制造，并且有較LBO為小之二次溫度系數(shù)。其挑戰(zhàn)之處在于昂貴的原材料及可重復(fù)性及均勻性的Langasite晶圓取得。

(2) 模組化

如前所述之LTCC模組，今后對搭載SAW濾波器之LTCC模組產(chǎn)品的需求有增加的可能，如Siemens及Actel已開始采用SAW濾波器搭載品。SAW濾波器制造廠商的客戶將不再完全是系統(tǒng)廠商，部份將轉(zhuǎn)移至模組廠商或設(shè)計公司。價格與品質(zhì)的兼顧及新系統(tǒng)所引發(fā)之工程問題將是新的挑戰(zhàn)。

(3) 小型化

新的構(gòu)裝技術(shù)已將SAW濾波器的成品尺寸推至其物理極限例如覆晶技術(shù)(flip-chip)及芯片級SAW封裝(CSSP)。未來SAW濾波器的大小將只取決于原始設(shè)計尺寸。而構(gòu)裝技術(shù)將朝向低成本(如塑膠封裝)及模組化發(fā)展，例如LTCC模組。

(4)高頻、寬帶化

為適應(yīng)電子整機(jī)高頻、寬帶化的要求，SAW濾波器也必須提高工作頻率和拓展帶寬。研究表明，當(dāng)壓電基材選定之后，SAW濾波器的工作頻率則由IDT電極條寬度所決定，IDT電極條愈窄，頻率愈高。采用半導(dǎo)體0.35～0.2μm級的精細(xì)加工工藝，可制作出2～3GHz的SAW濾波器。

拓展SAW濾波器的帶寬通常從優(yōu)化設(shè)計IDT的電極結(jié)構(gòu)入手。比如將IDT按串聯(lián)和并聯(lián)形式連接成梯形若干級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，輸入/輸出直接實(shí)現(xiàn)連接，采用0.4μm以下的精細(xì)加工技術(shù)，就可制作出用于無線局域網(wǎng)(LAN)的2.5GHz梯形結(jié)構(gòu)諧振式SAW濾波器，帶寬達(dá)100MHz；在多重模式濾波器中，采用縱向連接的濾波器帶寬要比橫向耦合型濾波器大一些，因此被廣泛用于蜂窩電話和尋呼機(jī)的RF濾波，而后者具有陡削的窄帶特性，可用于個人數(shù)字蜂窩(PDC)和模擬電話的中頻(IF)濾波。

(5)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，這對于要求低功耗的通信設(shè)備特別是接收前端是無法接受的。為滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)以及其它用途的要求，人們通過開發(fā)高性能的壓電材料和改進(jìn)IDT設(shè)計，使器件的插入損耗降低到3～4dB，最低可達(dá)1dB。在眾多壓電材料研究成果中，最引人注目的是日本村田制作所發(fā)明的ZnO/藍(lán)寶石層狀結(jié)構(gòu)基片材料，利用這種基片材料，該所已制造出1.5GHz PDC用射頻SAW濾波器，其插入損耗僅1.2dB。