聲表面波濾波器 SAW 的基本架構(gòu)

大家好，這里是射頻學(xué)堂。

聲表面波SAW 濾波器設(shè)計目前火的不能再火了，招聘網(wǎng)站上搜索?濾波器設(shè)計，跳出來的高薪職位幾乎都是 SAW 或者BAW 相關(guān)的?？梢哉f又是一個射頻行業(yè)的風(fēng)口了。雷軍曾經(jīng)說過，站在風(fēng)口上，Pig can flying。風(fēng)口已來，你準(zhǔn)備好了沒？

圖1，?芯片濾波器招聘（來源 獵聘網(wǎng)）

講到芯片濾波器，SAW和BAW是兩種最基本的架構(gòu)模式，其基本原理都利用了壓電陶瓷的壓電特性，實現(xiàn)電磁波諧振和聲波諧振的轉(zhuǎn)換，并利用聲波波長比較短的緣故，實現(xiàn)諧振器的小型化。

SAW和BAW 的后兩個字母，就是聲波的意思，Acostic Wave，而前面第一個字母表示聲波的諧振位置，S， Surface，即聲波在表面?zhèn)鞑?，而B， Bulk，聲波在體內(nèi)傳播。在之前的文章中，我們重點介紹了BAW濾波器，從FBAR和SMR-BAW的基礎(chǔ)理論都有過詳細的介紹。詳情請點擊（鏈接）查看。什么是聲波 AW？說到聲波，大家第一印象肯定是我們耳朵能聽到的聲音波，其實這里的聲波通指機械波，即靠介質(zhì)粒子機械振動傳輸?shù)牟?，比如地震波，水波，?dāng)然也包括我們耳朵能聽到的聲音波。

圖2，聲波（機械波）示意圖

聲波和電磁波有一個比較大的區(qū)別就是聲波必須通過介質(zhì)傳播，而電磁波卻可以脫離介質(zhì)在真空中傳播。女媧真是一個天才，給人類裝上了感知這兩種最常見的波的器官——眼睛和耳朵。女媧在造人時，給我們安上了眼睛，讓我們用眼睛能夠看到電磁波，觀賞這個多彩的世界；同時給我們安上了耳朵，讓我們能夠聽到聲波，聆聽悅耳動聽的聲音。

圖3，波的人體接收器——眼睛和耳朵

同時，給我們的眼睛和耳朵裝上了濾波器，讓我們只能看到頻率在380THz - 750 THz之間的電磁波，而這個頻段的電磁波正是紅橙黃綠青藍紫的顏色；讓我們只聽到聲波頻率在20Hz-20KHz 之間的波，試想如果不裝這個濾波器，那該是個多么嘈雜的世界，怪不得蝙蝠晚上都睡不著。

圖4，?人和動物的聽覺頻率和發(fā)生頻率對比

所以呢，聲波的頻率也可以很高，只要振動的介質(zhì)足夠小，比如電子波，中子波。

那什么是SAW呢？

SAW即聲表面波，英文全稱為?Surface Acoustic Wave，這里要注意和SIW 區(qū)分一下，SIW是傳輸線的一種，基片集成波導(dǎo)，Substrate integrated waveguid，不得不說，老外的這些縮寫還是挺容易混淆的。

聲表面波最早是1985年Rayleigh在研究地震波的時候發(fā)現(xiàn)的，這種波在固體的表面?zhèn)鞑?，而?strong>波速僅為電磁波的十萬分之一，而且衰減很小。

圖5， 聲表面波SAW示意圖

波速小，衰減小，這不就是射頻人想要的嗎？波速小，意味著同等頻率下的波長就短，波長短意味著它的諧振體就小。這樣制作的元器件體積就不是個問題了。

那怎么做成聲波濾波器？

在射頻濾波器界一直有一個頭疼的問題——濾波器小型化，尤其是在低頻頻段，簡直是最最最迫切的問題，很多濾波器設(shè)計大神為此絞盡腦汁——電容加載，實在不行就電容器加載上，無奈還是很大，誰讓諧振器和波長掛上鉤呢？電磁波的波長有多長呢？1MHz的電磁波波長大約為300米，1GHz 的電磁波波長也有0.3米，按照常規(guī)的二分之一波長諧振來說，諧振器也得15厘米高，放到我們的手機里面簡直不敢想象啊。

這個時候化學(xué)家?guī)土宋覀?，有人翻到了很久之前居里兄弟?880年前后發(fā)現(xiàn)的神奇物質(zhì)——壓電材料和壓電效應(yīng)，這種材料可以實現(xiàn)電波和機械波之間的轉(zhuǎn)換。

圖6，壓電特性示意圖

交叉學(xué)科的知識，在什么時候都是最有用的，電子科技的進步，離不開材料物理學(xué)的發(fā)展。