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声表面波滤波器 SAW 的基本架构

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大家好,这里是射频学堂。
声表面波SAW 滤波器设计目前火的不能再火了,招聘网站上搜索 滤波器设计,跳出来的高薪职位几乎都是 SAW 或者BAW 相关的。
可以说又是一个射频行业的风口了。
雷军曾经说过,站在风口上,Pig can flying。
风口已来,你准备好了没?
图1, 芯片滤波器招聘(来源 猎聘网)
讲到芯片滤波器,SAW和BAW是两种最基本的架构模式,其基本原理都利用了压电陶瓷的压电特性,实现电磁波谐振和声波谐振的转换,并利用声波波长比较短的缘故,实现谐振器的小型化。
SAW和BAW 的后两个字母,就是声波的意思,Acostic Wave,而前面第一个字母表示声波的谐振位置,S, Surface,即声波在表面传播,而B, Bulk,声波在体内传播。
在之前的文章中,我们重点介绍了BAW滤波器,从FBARSMR-BAW的基础理论都有过详细的介绍。
什么是声波 AW?
说到声波,大家第一印象肯定是我们耳朵能听到的声音波,其实这里的声波通指机械波,即靠介质粒子机械振动传输的波,比如地震波,水波,当然也包括我们耳朵能听到的声音波。
图2,声波(机械波)示意图
声波和电磁波有一个比较大的区别就是声波必须通过介质传播,而电磁波却可以脱离介质在真空中传播。
女娲真是一个天才,给人类装上了感知这两种最常见的波的器官——眼睛和耳朵。女娲在造人时,给我们安上了眼睛,让我们用眼睛能够看到电磁波,观赏这个多彩的世界;同时给我们安上了耳朵,让我们能够听到声波,聆听悦耳动听的声音。

图3,波的人体接收器——眼睛和耳朵

同时,给我们的眼睛和耳朵装上了滤波器,让我们只能看到频率在380THz - 750 THz之间的电磁波,而这个频段的电磁波正是红橙黄绿青蓝紫的颜色;让我们只听到声波频率在20Hz-20KHz 之间的波,试想如果不装这个滤波器,那该是个多么嘈杂的世界,怪不得蝙蝠晚上都睡不着。

图4, 人和动物的听觉频率和发生频率对比

所以呢,声波的频率也可以很高,只要振动的介质足够小,比如电子波,中子波。

那什么是SAW呢?

SAW即声表面波,英文全称为 Surface Acoustic Wave,这里要注意和SIW 区分一下,SIW是传输线的一种,基片集成波导,Substrate integrated waveguid,不得不说,老外的这些缩写还是挺容易混淆的。

声表面波最早是1985年Rayleigh在研究地震波的时候发现的,这种波在固体的表面传播,而且波速仅为电磁波的十万分之一,而且衰减很小

图5, 声表面波SAW示意图

波速小,衰减小,这不就是射频人想要的吗?波速小,意味着同等频率下的波长就短,波长短意味着它的谐振体就小。这样制作的元器件体积就不是个问题了。

那怎么做成声波滤波器?

在射频滤波器界一直有一个头疼的问题——滤波器小型化,尤其是在低频频段,简直是最最最迫切的问题,很多滤波器设计大神为此绞尽脑汁——电容加载,实在不行就电容器加载上,无奈还是很大,谁让谐振器和波长挂上钩呢?电磁波的波长有多长呢?1MHz的电磁波波长大约为300米,1GHz 的电磁波波长也有0.3米,按照常规的二分之一波长谐振来说,谐振器也得15厘米高,放到我们的手机里面简直不敢想象啊。

这个时候化学家帮了我们,有人翻到了很久之前居里兄弟在1880年前后发现的神奇物质——压电材料和压电效应,这种材料可以实现电波和机械波之间的转换。

图6,压电特性示意图

交叉学科的知识,在什么时候都是最有用的,电子科技的进步,离不开材料物理学的发展。

来源:射频学堂
振动化学电子芯片理论材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-06-13
最近编辑:1年前
射频学堂
硕士 学射频,就来射频学堂。
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