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SAW
閱讀�23561�(shí)間:2017-01-13 17:34:54

    SAW是SURFACE ACOUSTIC WAVE的簡稱,聲表面波器件是利用聲表面波對電信號�(jìn)行模擬處理的器件,其頻率范圍約在107�109��

    SAW器件是近代聲�(xué)中的表面波理�、壓電學(xué)研究成果�微電子技�(shù)有機(jī)�(jié)合的�(chǎn)物。所謂SAW,是在壓電固體材料表面產(chǎn)生和傳播、且振幅隨深入固體材料的深度增加而迅速減小的彈性波。與沿固體介�(zhì)�(nèi)部傳播的體聲波(BAW)比�,SAW有兩個顯著特�(diǎn):一是能量密度高,其中約90%的能量集中于厚度等于一個波長的表面薄層�;二是傳播速度�,約為縱波速度�45%,是橫波速度�90%。在多數(shù)情況下,SAW的傳播速度�3000�5000m/s。根�(jù)這兩個特性,人們研制出具有不同功能的SAW器件,而且可使這些不同類型�無源器件既薄又輕�

介紹

    SAW器件主要由具有壓電特性的基底材料和在該材料的拋光面上制作的由金屬薄膜組成的相互交錯的叉指狀換能器(IDT)組成。如果在IDT電極兩端加入高頻電信�,壓電材料的表面就會�(chǎn)生機(jī)械振動并同時(shí)激�(fā)出與外加電信號頻率相同的表面聲波,這種表面聲波會沿基板材料表面?zhèn)鞑ァH绻赟AW傳播途徑上再制作一對IDT電極,則可將SAW檢測并使其轉(zhuǎn)換成電信號。IDT叉指狀金屬電極借助于半�(dǎo)體平面工藝技�(shù)可以制作�

    �1是一個典型聲表面波器件的�(jié)�(gòu)原理�。電信號通過叉指�(fā)射換能器�(zhuǎn)換成聲信號(聲表面波�,在介質(zhì)中傳播一定距離后到達(dá)接收叉指換能器,又轉(zhuǎn)換成電信�。在這電-�-電轉(zhuǎn)換傳遞過程中�(jìn)行處理加�,從而得到對輸入電信號模擬處理的輸出電信號�

    叉指換能器的金屬條電極是鋁膜或金�,通常用蒸�(fā)鍍膜�(shè)備鍍�,并采用光刻方法制出所需圖形。叉指電極的條寬約在 100微米(約相應(yīng)107赫)�1微米(約相應(yīng)�109赫)�

    兼作傳聲介質(zhì)和電聲換能材料的壓電基底材料有:鈮酸�、石�、鍺酸鉍和鉭酸鋰等壓電單�;在非壓電材料(如玻璃)基底上沉淀的Z軸取向氧化鋅薄膜;在低頻段還有壓電陶瓷。聲表面波器件有多種類型,目前已�(fā)展到包括SAW濾波�、諧振器、延遲線、相�(guān)�、卷積器、移相器和存儲器等在�(nèi)�100余個品��

技�(shù)特點(diǎn)

    �1)聲表面波具有極低的傳播速度和極短的波長,它們各自比相應(yīng)的電磁波的傳播速度的波長小十萬�。在VHF 和UHF 繩段�(nèi),電磁波器件的尺寸是與波長相比擬�。同�,作為電磁器件的聲學(xué)模擬聲表面波器件,它的尺寸也是和信號的聲波波長相比擬�。因此,在同一頻段�,聲表面波器件的尺寸比相�(yīng)電磁波器件的尺寸減小了很�,重量也隨之大為減輕。例�,用一公里長的微波傳愉線所能得到的延遲,只需用傳輸路徑為1 。m 的聲表面波延遲線即可完成。這表聲表面波技�(shù)能實(shí)�(xiàn)電子器件的超小型��

    �2)由于聲表面波系沿固體表�?zhèn)�?,加上傳播速度極慢,這使得時(shí)變信號在給定瞬時(shí)可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上。于是當(dāng)信號在器件的輸入和輸出端之間行�(jìn)�(shí),就容易對信號�(jìn)行取樣和變換。這就給聲表面波器件以極大的靈活�,使它能以非常簡單的方式去.完成其它技�(shù)難以完成或完成起來過于繁重的各種功能。比如脈沖信號的壓縮和展�,編碼和譯碼以及信號的相�(guān)和卷�。一個實(shí)際例子是1976 年報(bào)道的一個長為一英寸的聲表面波卷積器,它具有使兩個任意模擬信號�(jìn)行卷積的功能,而它所適應(yīng)的帶寬可�(dá)100MHz ,時(shí)帶寬積可�(dá)一萬。這樣一個卷積器可以代替由幾個快速傅里葉變換(FFT )鏈作成的數(shù)字卷積器,即�(shí)際上可以代替一臺專用卷積計(jì)算機(jī)�

    此外,在很多情況�,聲表面波器件的性能還遠(yuǎn)�(yuǎn)超過了的電磁波器件所能達(dá)到的水平。比�,用聲表面波可以作成�(shí)間-帶寬乘積大于五千的脈沖壓縮濾波器,在UHF 頻段�(nèi)可以作成Q 值超過五萬的諧振腔,以及可以作成帶外抑制�(dá)70dB 、頻率達(dá)1 低Hz 的帶通濾波器�

    �3)由于聲表面波器件是在單晶材料上用半�(dǎo)體平面工藝制作的,所以它具有很好的一致性和重復(fù)�,易于大量生�(chǎn),而且�(dāng)使用某些單晶材料或復(fù)合材料時(shí),聲表面波器件具有極高的溫度�(wěn)定��

    �4)聲表面波器件的抗輻射能力強(qiáng),動�(tài)范圍很大,可�(dá)100dB 。這是�?yàn)樗玫氖蔷w表面的彈性波而不涉及電子的遷移過��

    聲表面波技�(shù)目前也存在某些不足之�。首先,由子受工藝的限制,聲表面波器件的工作頻率被局限在2�3GHz 以下,另外,由于它采用單晶材�,制作工藝要求精度高、條件苛�,使一得它的成本較�、價(jià)格較��

�(yīng)用范�

    SAW器件能實(shí)�(xiàn)多種�(fù)雜信號處理功能,�(shí)間帶寬積�,動�(tài)范圍大,并且具有體積�、重量輕、穩(wěn)定可�、易于大批量生產(chǎn)且重�(fù)性好、無需�(diào)�、設(shè)�(jì)靈活性高,并且填�(bǔ)了集中參�(shù)電子元件與微波回路工作頻段之間的空隙,易于與外電路配合使用等�(yōu)�(diǎn),所以在軍事系統(tǒng)、民用消�(fèi)品和商用�(shè)備中得到廣泛�(yīng)�,主要有以下幾個方面:

    電視接收�(jī)及電視工程; CATV系統(tǒng)� 移動和無繩電話系�(tǒng)� 光纖通信系統(tǒng)�(shí)鐘恢�(fù)� �(wèi)星通信及定位(GPS)系�(tǒng)� �(kuò)頻通信系統(tǒng)� 通信偵察壓縮接收�(jī)� 脈沖壓縮雷達(dá)系統(tǒng)� 電子偵察用信道化接收�(jī)� �(yīng)答式干擾�(jī)� �(dǎo)航系�(tǒng) �(shù)傳系�(tǒng)� 識別和定位系�(tǒng)� 無鑰匙�(jìn)入和保密警戒系統(tǒng)� 遙測遙控系統(tǒng)� �(jì)算機(jī)�(shí)��

    SAW器件目前正廣泛�(jìn)入各類抗干擾、保密等電子系統(tǒng)�,有的已成為系統(tǒng)的基本構(gòu)成元�,如SAW濾波器、SAW振蕩�,有的已成為軍用小型化電子系�(tǒng)的關(guān)鍵信號處理器,如SAW直接頻率合成器、SAW色散延遲�、SAW抽頭延遲�、SAW存儲相關(guān)器等。隨著當(dāng)前軍�、民用電子系�(tǒng)向小型化、高可靠性、抗干擾、保密等方向的�(jìn)一步發(fā)展,SAW器件必將獲得 更加廣泛的應(yīng)��

�(yīng)移動通信的要求不斷發(fā)�

    早期的SAW的主要應(yīng)用領(lǐng)域是電視�(jī)為主�(dǎo)的視聽類電子�(chǎn)品。移動通信�(chǎn)�(yè)的發(fā)展使SAW器件的市場主體發(fā)生了重大�(zhuǎn)�。像SAW濾波器這類器件在移動通信中應(yīng)用得很好,是壓電陶瓷濾波器和單片晶體濾波器(MCF)望塵莫及的�

    �1)提高工作頻率對SAW器件,當(dāng)壓電基材選定之后,其工作頻率則由IDT指條寬度決定。IDT指條愈窄,頻率則愈高,二者關(guān)系曲線如�3所示�

    眾所周知,目�0.5μm級的半導(dǎo)體工藝已是較普通的技�(shù),該尺寸的IDT電極條寬能制作出�1500MHz的SAW濾波器。利�0.35μm級的光刻工藝,能制作�2GHz的器�。借助�0.2μm級的精細(xì)加工技�(shù)�2.5GHz的SAW器件早已�(shí)�(xiàn)大批量生�(chǎn)�3GHz的器件開始�(jìn)入實(shí)用化�

    �2)微型化、片式化、組合化SAW器件微型�、片式化和輕便化,是移動通信�(chǎn)品提出的基本要求。SAW器件的IDT電極條寬通常是按照SAW波長�1/4來�(jìn)行設(shè)�(jì)�。對于工作在1GHz下的器件,若�(shè)SAW的傳播速度�4000m/s,波長則僅為4μm�1/4波長�1μm),�0.4mm的距離中能夠容納100�1μm寬的電極。故SAW器件芯片可以做得非常�,便于實(shí)�(xiàn)超小型化�

    為縮小SAW器件的體積,在其封裝型式上已由傳�(tǒng)的圓形金屬殼封裝改為方形或長方形扁平金屬或LCC表面貼裝款式,并且尺寸不斷縮�。SAW濾波器尺寸不斷縮小的�(shí)物對��

    1998年,日本富士通公司推出的SAW濾波�,尺寸僅�2.5mm×2.0mm×1.2mm�

    將不同功能的SAW器件封裝在一起的組合型器�,同樣是減小PCB面積的一個途徑。例�,用�800MHz PDC終端的接收SAW濾波�,就�(nèi)裝兩個濾波器,其中一個是810�830MHz低頻接收帶濾波器,另一個是870�885MHz高頻帶濾波器,尺寸為3mm×3mm;再如運(yùn)行于1.9GHz PCS終端60MHz帶寬的雙頻段濾波�,也是組合型的器�。其中一個頻段為1850�1885MHz(35MHz),另一個頻段則�1885�1910MHz(25MHz)。這種組合型器件,能提�3dB的插入損耗和45dB的帶外衰�。富士通公司開�(fā)的能支持模擬和數(shù)字兩種模式(即雙帶式)移動電話手�(jī)用SAW濾波器,同樣是組合型器件�

    �3)降低插入損耗SAW濾波器以往存在的最突出問題是插入損耗大,一般不低于15dB。為滿足移動通信系統(tǒng)的要�,人們通過開發(fā)高性能的壓電材料和改�(jìn)IDT�(shè)�(jì),使器件的插入損耗降低到4dB以下,而且有些�(chǎn)品降�1dB�

    在眾多壓電材料研究成果中,最引人注目的就是日本村田公司發(fā)明的ZnO/�(lán)寶石層狀�(jié)�(gòu)基板材料。該公司利用ZnO/�(lán)寶石基板材料,制造出1.5GHz PDC RF用濾波器,插入損耗降�1.2dB�

    �4)寬帶化移動通信系統(tǒng)的更�?lián)Q�,要求SAW濾波器寬帶化。用于AMPS模擬蜂窩電話的代IF濾波器通頻帶寬僅為30kHz,而用于美國IS-95�(guī)格CDMA方式的便攜電話中第三代器件的通頻帶寬�(dá)1MHz以上。為使SAW濾波器實(shí)�(xiàn)寬帶化和低損耗化,必須在IDT電極�(jié)�(gòu)�(shè)�(jì)上不斷創(chuàng)��

    傳統(tǒng)的橫向型SAW濾波器電極基本結(jié)�(gòu)如圖4所示。壓電基板上面有兩個IDT,分別用作輸入和輸出的激勵與檢測�(zhuǎn)�。該�(jié)�(gòu)的優(yōu)�(diǎn)是設(shè)�(jì)自由度大,但�(dāng)要求頻帶�/中心頻率之比較小和通頻帶寬/衰減帶寬之比較大�(shí),則需要較多的電極條數(shù),難以實(shí)�(xiàn)小型�。同�(shí),由于SAW是雙向傳播的,在輸入/輸出IDT電極上分別產(chǎn)�1/2的損耗,對降低損耗是不利��

    �(dāng)采用單方向性的IDT或方向性變換器�(shí),橫向型SAW濾波器的損耗可以降�,并可獲得比較平坦的延遲特性�

    采用梯型�(jié)�(gòu)的諧振式濾波器IDT是按照串�(lián)和并�(lián)形式連接成梯型若干級�(lián)的結(jié)�(gòu),輸�/輸出直接�(shí)�(xiàn)連接。采�0.4μm以下的精�(xì)加工技�(shù),研制的無線局域網(wǎng)LAN�2.5GHz梯型�(jié)�(gòu)諧振式SAW濾波�,帶寬達(dá)100MHz,特性曲線如�5所��

    GSM接收前端用插入損耗僅�1dB的超低損耗型SAW濾波�,其IDT電極也采用了梯型�(jié)�(gòu)�

    在多重模式濾波器�,占主導(dǎo)地位的是一次模式和二重模式SAW(DMS)濾波器。DMS濾波器結(jié)�(gòu)主要有橫耦合型和縱耦合型兩種類型,不論是哪一種類型的DMS濾波�,兩對IDT電極都靠得很�,在它們的兩側(cè)都設(shè)置了用作阻擋能量外逸的反射�,因而能獲得很低的損耗并�(chǎn)生一個高Q�,而且?guī)馑p量也較大。但�,該�(jié)�(gòu)型式不利于實(shí)�(xiàn)寬帶�。相比之下,縱向連接的濾波器帶寬要比橫向耦合型濾波器大一�,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�,可用于個人�(shù)字蜂窩(PDC)和模擬電話的IF濾波�

    �5)提升耐電力特性在耐電力特性和插入損耗要求非常嚴(yán)格的場合,一直沿用電介質(zhì)濾波器。像便攜式電話的�(fā)�/接收(TX/RX)天線轉(zhuǎn)換開�(guān),必須能承受�1W的發(fā)送電力。隨著SAW濾波器性能的提�,該器件的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓�。圖7示出的是用于AMPS方式的SAW天線�(zhuǎn)換開�(guān),尺寸為9.5mm×7.5mm×2mm,重量是0.4g。即使在今后國際�(tǒng)一�(guī)格的IMT2000方式新一代移動通信系統(tǒng)�,也少不了這種SAW天線�(zhuǎn)換開�(guān)器件。日本村田公司開�(fā)�6.3mm×8mm×2mm的SAW天線收發(fā)�(zhuǎn)換開�(guān),不僅提高了傳輸級的功率容限,而且具有超低插入損耗特��

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