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TDK声表滤波器和双工器在无线方面的发展方向

2015-11-05| 发布者: 顺宇电子| 分类: 双工器

  射频干扰一直是无线通信的天敌,它要求设计师采取凌厉手段以束其就范。随着每台设备内所支持频段的日益增多,当今的无线设备必须要同时防范来自其它设备及自身的干扰信号。
  一款高端智能手机必须要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波,同时要滤波的还包括:Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收路径。必须对 各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行抑制。要做到这点,一款多频段智能手机需要八或九个滤波器和八个双工器。如果没有声滤波技术,这将难以实现。
   声表面波(TDKSAW系列声表滤波器)滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。 TDKSAW系列声表滤波器滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。因为TDKSAW系列声表滤波器滤波器制作在晶圆上,所以可 以低成本进行批量生产。TDKSAW系列声表滤波器技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上,且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。
存 在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及 “发电机” 。当对这种晶体施以电压,晶体将发生机械形变,将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时,机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷,使电 流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的这种转换的能量损耗极低,无论电/机还是机/电能量转换,效率都可高达99.99%。
在固态材料中,交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内,对声波进行导限以产生极高品质因数(Q值可达数千)的驻波(standing waves)。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。
在一款基础TDKSAW系列声表滤波器滤波器中,电输入信号通过间插的金属交指型换能器(IDT)转换为声波,这种IDT是在诸如石英、钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)等压电基板上形成的。在一款非常小设备内,IDT的低速特性非常适合众多波长通过。
 
 
   但TDKSAW系列声表滤波器滤波器有局限性。高于约1GHz时,其选择性降低;在约2.5GHz,其使用仅限于对性能要求不高的应用。TDKSAW系列声表滤波器器件易受温度变化的影响,是个老大难问题:温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。
一种替代方法是使用温度补偿(TC-TDKSAW系列声表滤波器) 滤波器,它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。温度未补偿TDKSAW系列声表滤波器器件的频率温度系数(TCF)通常约为-45ppm/℃,而 TC-TDKSAW系列声表滤波器滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层, 所以,TC-TDKSAW系列声表滤波器滤波器更复杂、制造成本也更高,但仍比体声波(TDKBAW双工器)滤波器便宜。
 
   虽然TDKSAW系列声表滤波器和TC-TDKSAW系列声表滤波器滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用,高于1.5GHz 时,TDKBAW双工器滤波器非常具有性能优势。TDKBAW双工器滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外,即便在高宽带设 计中,TDKBAW双工器对温度变化也不那么敏感,同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边(filter skirt)。
 
 
   不同于TDKSAW系列声表滤波器滤波器,TDKBAW双工器滤波器内的声波垂直传播。对使用石英晶体作为基板的TDKBAW双工器谐振器来说,贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励, 使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量(mass)决定了共振频率。在TDKBAW双工器滤波器大显身手的高频,其压电层的厚度必须在几微 米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。
 
为使声波不散漫到基板上,通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的TDKBAW双工器或TDKBAW双工器-SMR器件。另一种方法,称为薄膜体声波谐振器(FBAR),它是在有源区下方蚀刻出空腔,以形成悬浮膜。
 
 
  因这两种类型TDKBAW双工器滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波,它们的损耗都非常低。在微波频率,TDKBAW双工器可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高,可达:2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处,它也有极好的抑制和插入损耗性能。
 
  虽然TDKBAW双工器和FBAR滤波器的制造成本更高,其性能优势非常适合极具挑战性的LTE频带以及PCS频带,后者的发送和接收路径间只有20MHz的狭 窄过渡范围。 TDKBAW双工器和FBAR滤波器的IDT可做得足够大,以支持4W@2GHz的更高射频功率。TDKBAW双工器器件对静电放电有固有的高阻抗,其TDKBAW双工器-SMR变体具有约 -17ppm/℃ @2GHz的TCF 。
  随着频谱拥挤导致缩窄甚至舍弃保护频带的趋势,对于高性能滤波器的需求显著增加。 TDKBAW双工器技术使人们有可能设计出具有非常陡峭滤波器裙边、高抑制性能以及温漂很小的窄带滤波器,它非常适合处理相邻频段之间非常棘手的干扰抑制问题。 TriQuint及其它滤波器制造商的工程师正在努力实现4%或更高带宽、损耗更低、TCF基本为零的TDKBAW双工器-SMR滤波器。
TDKBAW双工器 器件所需的制造工艺步骤是TDKSAW系列声表滤波器的10倍,但因它们是在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的TDKBAW双工器器件也多了约4倍。即便如此,TDKBAW双工器的成本仍高于TDKSAW系列声表滤波器。 然而,对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说,TDKBAW双工器是唯一可用方案。因此,TDKBAW双工器滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。
  台北快三TriQuint的设计团队专注于优化TDKBAW双工器和 TDKBAW双工器-SMR架构,而非FBAR架构 。在TDKBAW双工器-SMR滤波器底部电极下方使用的声反射器使其在FBAR面临挑战的频段拥有优化的带宽性能。反射器使用的二氧化硅还显著减少了TDKBAW双工器的整体温 漂,该指标远好于TDKBAW双工器甚至FBAR所能达到的水平。由于谐振器位于结实的材料块上,其散热比FBAR好得多,后者采用一个膜,仅能通过边缘散热。这使得 TDKBAW双工器器件可实现更高的功率密度,不久就会有可用于小蜂窝基站应用10W级器件的问世。
 
  未来几年,TDKSAW系列声表滤波器、TC-TDKSAW系列声表滤波器和TDKBAW双工器滤波器及双工器的各种选择将成为各类无线设备更重要的组成部分。随着各类发射器的增加、更高频率内更多无线频段的分配、加之全球频谱管理依然各自为政,射频干扰抑制将变得越来越具有挑战性。
 
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