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

圖1，?芯片濾波器招聘（來(lái)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(shí)現(xiàn)電磁波諧振和聲波諧振的轉(zhuǎn)換，并利用聲波波長(zhǎng)比較短的緣故，實(shí)現(xiàn)諧振器的小型化。

SAW和BAW 的后兩個(gè)字母，就是聲波的意思，Acostic Wave，而前面第一個(gè)字母表示聲波的諧振位置，S， Surface，即聲波在表面?zhèn)鞑ィ鳥， Bulk，聲波在體內(nèi)傳播。在之前的文章中，我們重點(diǎn)介紹了BAW濾波器，從FBAR和SMR-BAW的基礎(chǔ)理論都有過(guò)詳細(xì)的介紹。詳情請(qǐng)點(diǎn)擊（鏈接）查看。什么是聲波 AW？說(shuō)到聲波，大家第一印象肯定是我們耳朵能聽(tīng)到的聲音波，其實(shí)這里的聲波通指機(jī)械波，即靠介質(zhì)粒子機(jī)械振動(dòng)傳輸?shù)牟ǎ热绲卣鸩?，水波，?dāng)然也包括我們耳朵能聽(tīng)到的聲音波。

圖2，聲波（機(jī)械波）示意圖

聲波和電磁波有一個(gè)比較大的區(qū)別就是聲波必須通過(guò)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(gè)天才，給人類裝上了感知這兩種最常見(jiàn)的波的器官——眼睛和耳朵。女媧在造人時(shí)，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(gè)多彩的世界；同時(shí)給我們安上了耳朵，讓我們能夠聽(tīng)到聲波，聆聽(tīng)悅耳動(dòng)聽(tīng)的聲音。

圖3，波的人體接收器——眼睛和耳朵

同時(shí)，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(gè)頻段的電磁波正是紅橙黃綠青藍(lán)紫的顏色；讓我們只聽(tīng)到聲波頻率在20Hz-20KHz 之間的波，試想如果不裝這個(gè)濾波器，那該是個(gè)多么嘈雜的世界，怪不得蝙蝠晚上都睡不著。

圖4，?人和動(dòng)物的聽(tīng)覺(jué)頻率和發(fā)生頻率對(duì)比

所以呢，聲波的頻率也可以很高，只要振動(dòng)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(shuō)，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(shí)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(wàn)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(zhǎng)就短，波長(zhǎng)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(gè)問(wèn)題了。

那怎么做成聲波濾波器？

在射頻濾波器界一直有一個(gè)頭疼的問(wèn)題——濾波器小型化，尤其是在低頻頻段，簡(jiǎn)直是最最最迫切的問(wèn)題，很多濾波器設(shè)計(jì)大神為此絞盡腦汁——電容加載，實(shí)在不行就電容器加載上，無(wú)奈還是很大，誰(shuí)讓諧振器和波長(zhǎng)掛上鉤呢？電磁波的波長(zhǎng)有多長(zhǎng)呢？1MHz的電磁波波長(zhǎng)大約為300米，1GHz 的電磁波波長(zhǎng)也有0.3米，按照常規(guī)的二分之一波長(zhǎng)諧振來(lái)說(shuō)，諧振器也得15厘米高，放到我們的手機(jī)里面簡(jiǎn)直不敢想象啊。

這個(gè)時(shí)候化學(xué)家?guī)土宋覀儯腥朔搅撕芫弥熬永镄值茉?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(shí)現(xiàn)電波和機(jī)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(shí)，在什么時(shí)候都是最有用的，電子科技的進(jìn)步，離不開(kāi)材料物理學(xué)的發(fā)展。