聲表面波濾波器在通信電路中的應(yīng)用

1、 通信電路課程設(shè)計(jì) 聲表面波濾波器在通信電路中的應(yīng)用院（系）名稱 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 2008電子信息工程（2）班學(xué) 號(hào) 080102502 學(xué) 生 姓 名 許 浩 指 導(dǎo) 教 師 司 小 平 2010年12月25日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書20102011學(xué)年第一學(xué)期專業(yè)： 電子信息工程 學(xué)號(hào)： 080102502 姓名： 許浩 課程設(shè)計(jì)名稱： 通信電路 設(shè)計(jì)題目： 聲表面波濾波器在通信電路中的應(yīng)用 完成期限：自 2010 年 12 月 13 日至 2010 年 12 月 25 日共 2 周一、設(shè)計(jì)依據(jù) 集中參數(shù)濾波器不僅性能優(yōu)良，指標(biāo)先進(jìn)，而且調(diào)試簡(jiǎn)單（或不需調(diào)試）組裝方便，正在迅速進(jìn)入各類

2、通信電路中。特別是當(dāng)整機(jī)的頻率特性具有特殊性能指標(biāo)時(shí)，利用專門設(shè)計(jì)的濾波器，可以滿足，高擋次的性能要求。當(dāng)今是新材料、新器件倍增的時(shí)代，及時(shí)的將新技術(shù)領(lǐng)域成果引入通信系統(tǒng)，以提高通信質(zhì)量，是當(dāng)前緊迫的重要任務(wù)。同時(shí)，由于受各專業(yè)基本概念理論的制約，必須拓寬知識(shí)面，才能適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。 二、要求及主要內(nèi)容 1. 掌握超外差接收設(shè)備的工作原理與中放電路的作用與功能。2. 掌握通信電路中各參數(shù)等效電路的分析方法。3. 設(shè)計(jì)聲表面波濾波器應(yīng)用電路，并對(duì)電路性能進(jìn)行分析計(jì)算，給出元器表。主要技術(shù)指標(biāo)：1. 中心頻率 37KHZ2. 通頻帶 8KHZ3. 輸入阻抗 1kW4. 輸出阻抗 1kW

3、 三、途徑和方法 1. 課題調(diào)研：查閱通信接收機(jī)聲表面波濾波器電路的原理、設(shè)計(jì)與調(diào)試資料并了解科技文獻(xiàn)有關(guān)的文章。2. 以通信電路、模擬電子技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)課程為依據(jù)提出設(shè)計(jì)方案3. 對(duì)單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。4. 對(duì)整機(jī)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫出原理電路圖，繪出元器件表。 四、時(shí)間安排 課題講解：2小時(shí)閱讀資料：12小時(shí)撰寫設(shè)計(jì)說明書：12小時(shí)修改設(shè)計(jì)說明書：4小時(shí) 五、主要參考資料 1 沈偉慈 通信電路M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社. 2008.62 張肅文 高頻電子線路M. 北京：高等教育出版社. 19843 羅偉雄 通信電路與系統(tǒng)M. 北京：北京理工大學(xué)出版社. 2007.94 楊素行 模擬電

4、子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M. 北京：高等教育出版社. 2002.2 5 Ferrel G. Stremler. Introduction Communication Systems M. 19976 楊素行 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M. 北京：高等教育出版社. 2002.2 7 董在望 通信電路原理M.1989.118 張桂花 無線通信電路基礎(chǔ)教程M.1988.4 指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 年 月 日電子技術(shù) 課程設(shè)計(jì)評(píng)閱書題目聲表面波在通信電路中的應(yīng)用學(xué)生姓名許浩學(xué)號(hào)080102502指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī)指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日答辯評(píng)語及成績(jī)答辯教師簽名： 年 月 日教

5、研室意見 總成績(jī)： 教研室主任簽名：年 月 日聲表面濾波器在通信電路中的應(yīng)用摘 要隨著半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，光刻精度進(jìn)一步提高，使得聲表面波濾波器超小型化成為現(xiàn)實(shí)，而通信技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)聲表面波濾波器提出的性能要求也越來越高。聲表面濾波器簡(jiǎn)稱SAWF或SAW，是利用壓電陶瓷、鈮酸鋰、石英等壓電晶體振蕩器材料的壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性制成的一種換能式無源帶通濾波器，它用于電視機(jī)和錄像機(jī)的中頻輸入電路中作選頻元件，取代了中頻放大器的輸入吸收回路和多級(jí)調(diào)諧回路。它是在一塊具有壓電效應(yīng)的材料基片上蒸發(fā)一層金屬膜，然后經(jīng)光刻，在兩端各形成一對(duì)叉指形電極組成。當(dāng)在發(fā)射換能器上加上信號(hào)電壓后，就在

6、輸入叉指電極間形成一個(gè)電場(chǎng)使壓電材料發(fā)生機(jī)械振動(dòng)（即超聲波）以超聲波的形式向左右兩邊傳播，向邊緣一側(cè)的能量由吸聲材料所吸收。在接收端，由接收換能器將機(jī)械振動(dòng)再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并由叉指形電極輸出。聲表面波器件因其體積小、抗輻射能力強(qiáng)、高速、低功耗和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在通信、雷達(dá)和電子對(duì)抗中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是它獨(dú)有的高頻特性，越來越受到重視。在追求高效率、低插入損耗、高溫度穩(wěn)定的同時(shí)，中心頻率和通帶寬度的可調(diào)節(jié)性也成為研究熱點(diǎn)之一。關(guān) 鍵 詞 ：聲表面波; 聲表面波濾波器； 單端對(duì)聲表面波諧振器; 無線通信目 錄1緒論12 SAW濾波器基本理論12.1 SAW濾波器的簡(jiǎn)介12.2 SAW濾波器的

7、結(jié)構(gòu)及原理22.3 SAW波濾波器的特點(diǎn)32.4 SAW濾波器的應(yīng)用33 無線通信中用SAW濾波器53.1 等效電路分析53.2 濾波器的設(shè)計(jì)6總結(jié)8致謝9參考文獻(xiàn)101緒論隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)電話的需求直線上升。為規(guī)范移動(dòng)通信市場(chǎng)，國際上建立了幾種公用通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，如美國移動(dòng)通信系統(tǒng)(AMPS)、擴(kuò)展總路線通信系統(tǒng)(ETACS)、全球移動(dòng)系統(tǒng)(GSM)等。以上各通信系統(tǒng)所使用的頻率范圍均不相同，但為擴(kuò)大通信容量，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，它們的射頻頻率都較高，使用帶寬較寬，且發(fā)射端和接收端的間隔較窄。因此，各系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵器件即濾波器的濾波頻率性能都有嚴(yán)格的要求。聲表面波(Surf

8、ace Acoustic Wave，SAW)濾波器是一種新型的信號(hào)處理器件，可以實(shí)現(xiàn)任意精度的頻率特性，這是其他射頻濾波器難以實(shí)現(xiàn)的, 故SAW濾波器在電子信息領(lǐng)域，特別在通信中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著SAW濾波器朝著小型片式化、高頻寬帶化、低插損、高可靠性和表面貼裝等方向的發(fā)展，更將使SAW濾波器技術(shù)在各種信號(hào)處理、通信等領(lǐng)域越來越具有吸引力。 2 SAW濾波器基本理論2.1 SAW濾波器的簡(jiǎn)介聲表面波SAW（SuRFace Acoustic Wave）就是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播、且其振幅隨深入基片材料的深度增加而迅速減少的彈性波。SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋

9、光面上制作兩個(gè)聲電換能器*指換能器（IDT）。它采用半導(dǎo)體集成電路的平面工藝，在壓電基片表面蒸鍍一定厚度的鋁膜，再把設(shè)計(jì)好的兩個(gè)IDT的掩膜圖案，利用光刻方法沉積在基片表面，分別用作輸入換能器和輸出換能器。其工作原理是：輸入換能器將電信號(hào)變成聲信號(hào)，沿晶體表面?zhèn)鞑ィ敵鰮Q能器再將接收到的聲信號(hào)變成電信號(hào)輸出。 2.2 SAW濾波器的結(jié)構(gòu)及原理SAW是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播，且振幅隨著深入基片材料的深度增加而迅速減少的一種彈性波。SAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個(gè)聲電換能器叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)，分別用作發(fā)射換能器

10、和接收換能器，如圖1所示。圖1 SAW濾波器機(jī)構(gòu)圖發(fā)射換能器將RF信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波，在基片表面上傳播，經(jīng)過一定的延遲后，接收換能器將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。濾波過程是在電到聲和聲到電的轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)，所以可以將SAW濾波器等效為一個(gè)兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中H1()是發(fā)射(或輸入)叉指換能器IDT1的頻率響應(yīng), H2()是接收(或輸出)叉指換能器IDT2的頻率響應(yīng), H3 ()是SAW在兩叉指換能器間的傳輸特性。設(shè)聲表面波的波速是Vs，由于Vs是非色散性的，顯然H3()可等效為一個(gè)具有一定延時(shí)t0的全通時(shí)延網(wǎng)絡(luò)。若輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L(zhǎng)，則有 t0=L/Vs (1) H3(

11、C) =A3 exp(-jL0/VS)式中 A3為常數(shù)，一般記為1。于是，SAW濾波器總的傳輸函數(shù)（或頻率響應(yīng)）是 H()=H1()H3()H2()應(yīng)用傅里葉變換特性，在分析中考慮|H3 () |1，因此，可以不計(jì)入)(3H。聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為H () = H1()H2()，相應(yīng)的脈沖響應(yīng)h(t)為h (t)=h1(t)h2 (t)。H()H2()H3()H1()圖2 SAW濾波器的等效圖2.3 SAW波濾波器的特點(diǎn)SAW濾波器的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時(shí)間偏差和頻率選擇性優(yōu)良（可選頻率范圍為10MHz3GHz）、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾（EMI

12、）性能好、可靠性高、制作的器件體小量輕，其體積、重量分別是陶瓷介質(zhì)濾波器的1/40和1/30左右，且能實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。SAW濾波器的特征和優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之處是所需基片材料的價(jià)格昂貴，對(duì)基片的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。受基片結(jié)晶工藝苛刻和制造精度要求嚴(yán)的影響，日本富士通、三洋電器、豐田等少數(shù)幾家掌握壓電基片生產(chǎn)技術(shù)的制造商壟斷了世界SAW濾波器市場(chǎng)。富士通公司控制了移動(dòng)電話用小型射頻SAW濾波器全球市場(chǎng)40左右的份額，目前其年產(chǎn)量在1.5億只以上，最小的產(chǎn)品尺寸已達(dá)到2.5mm×2

13、mm，重22mg，集倒裝式組件和專利諧振器型濾波器設(shè)計(jì)于一體，使濾波器性能突破性飛躍。三洋電器公司是世界最大的視聽家電用SAW濾波器制造商之一，為保持其價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，該公司在我國深圳設(shè)有組裝廠，年產(chǎn)5000萬只。豐田公司主要生產(chǎn)移動(dòng)通信用SAW濾波器，可提供30多種標(biāo)準(zhǔn)型產(chǎn)品，均適用于表面安裝。2.4 SAW濾波器的應(yīng)用SAW濾波器在抑制電子信息設(shè)備高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號(hào)以及各類寄生雜波干擾等方面起到良好的作用，可以實(shí)現(xiàn)任意所需精度的幅頻和相頻特性的濾波，這是其它濾波器難以完成的。近年來國外已將SAW濾波器片式化，重量只有0.2g；另外，由于采用了新的晶體材料和最新的精細(xì)加工技術(shù)，使

14、SAW器件上使用上限頻率提高到2.5GHz3GHz。從而促使SAW濾波器在抗EMI領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。SAW濾波器以極陡的過渡帶使CATV的鄰頻傳輸?shù)靡詫?shí)現(xiàn)，與隔頻傳輸相比，頻譜利用率提高了1倍。電視接收機(jī)如果不采用SAW濾波器，不可能穩(wěn)定可靠地工作。事實(shí)上，早期SAW濾波器的主要應(yīng)用領(lǐng)域就是以電視機(jī)為代表的視聽家電產(chǎn)品，20世紀(jì)80年代末，由于電子信息特別是通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，為SAW濾波器提供了一個(gè)廣闊的市場(chǎng)空間，致使其產(chǎn)量和需求呈直線上升趨勢(shì)。目前世界SAW濾波器的年產(chǎn)量在6億只以上，其中移動(dòng)通信等用小型化RFSAW濾波器就達(dá)4.3億只。移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)射端（TX）和接收端（RS）必須

15、經(jīng)過濾波器濾波后才能發(fā)揮作用，由于其工作頻段一般在800MHz2GHz、帶寬為17MHz30MHz，故要求濾波器具有低插損、高阻帶抑制和高鏡像衰減、承受大功率、低成本、小型化等特點(diǎn)。由于工作頻段、體積和性能價(jià)格比等方面的優(yōu)勢(shì)，SAW濾波器在移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭，這是壓電陶瓷濾波器和單片晶體濾波器望塵莫及的。在無線尋呼系統(tǒng)中，BP機(jī)接收到的RF信號(hào)需先經(jīng)濾波再進(jìn)行放大。濾波器的電氣特性直接影響到接收信號(hào)的靈敏度和精確度，早期生產(chǎn)的BP機(jī)一般采用LC濾波器，但由于LC濾波器的調(diào)試復(fù)雜，選擇性和穩(wěn)定性又較差，因此現(xiàn)在逐漸被SAW濾波器所取代。隨著Internet的迅猛發(fā)展，全球上網(wǎng)用戶愈來愈

16、多，但目前通過電話上網(wǎng)的最大缺點(diǎn)是帶寬太窄（幾十千赫），下載速度極慢，而CATV網(wǎng)絡(luò)頻率資源豐富，不少商家因此均在開發(fā)基于CATV網(wǎng)的寬帶多媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)（如VOD等），通過CATV上網(wǎng)可使信息傳輸速度提高幾十倍以上，在這些系統(tǒng)中都要用到高性能的SAW濾波器來解決鄰頻抑制問題?？梢?，SAW濾波器的市場(chǎng)前景十分可觀。3 無線通信中用SAW濾波器在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，無論是數(shù)字式還是模擬式，其發(fā)射和接收信號(hào)的功能模塊電路結(jié)構(gòu)基本相同，如圖3所示。在Tx端，在載波上對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制, 通過放大電路將功率放大，然后經(jīng)過SAW濾波器濾波后由天線將信號(hào)發(fā)出，本通道要求濾波器損耗低，可承受大功率；在Rx端通道，

17、天線接收到的微弱信號(hào)經(jīng)SAW濾波器過濾后，進(jìn)行放大解調(diào)，最終獲得所要的信息，要求濾波器損耗低，阻帶抑制高。圖3 GSM系統(tǒng)的發(fā)射和接收模塊傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器一般具有損耗低、大帶寬以及較高的功率承受能力等特點(diǎn)。但其致命的弱點(diǎn)是體積太大，難以適應(yīng)移動(dòng)電話向微型化方向發(fā)展的趨勢(shì)。而SAW濾波器具有體積小，適合于微型封、一致性好、無須調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。本文以無線通信系統(tǒng)中移動(dòng)電話用SAW濾波器(其技術(shù)要求為：Tx端中心頻率f 0為902.5 MHz，帶寬為25 MHz；Rx端f 0為947.5 MHz，帶寬為25 MHz)為例，介紹梯型結(jié)構(gòu)SAW濾波器的等效電路分析，并給出設(shè)計(jì)結(jié)果。 3.1 等效電路分析采用

18、電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)構(gòu)的SAW濾波器由單端對(duì)SAW諧振器來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容(LC)濾波器低損耗的優(yōu)點(diǎn)，而且可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計(jì)射頻濾波器，工作頻率范圍為3002400 MHz，相對(duì)帶寬為26, 插入損耗小于5 dB, SAW諧振器及其等效電路如圖4所示。 圖4 SAW諧振器及等效電路圖圖4中C0為靜電容，C1、L1分別為動(dòng)態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感，等效電路忽略了動(dòng)態(tài)電阻。梯型SAW濾波器基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。 圖5 梯形濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單端對(duì)諧振器時(shí)，使并臂諧振器的反諧振頻率與串臂諧振器的諧振頻率相同。其中frp、fap、frs、fas分別為并臂、

19、串臂諧振器的諧振頻率和反諧振頻率。根據(jù)梯型濾波器傳輸函數(shù)截止條件可知，串臂諧振器阻抗Zs和并臂諧振器阻抗ZP性質(zhì)相同時(shí)，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP>1時(shí)，形成通帶；Zs/ZP<1時(shí)，形成過渡帶；Zs/ZP=1時(shí)的頻率點(diǎn)為截止頻率。 3.2 濾波器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)梯型結(jié)構(gòu)濾波器，主要是對(duì)單端諧振器的設(shè)計(jì)，并協(xié)調(diào)好串臂和并臂諧振器的相互關(guān)系。諧振器的阻抗可用其諧振頻率和反諧振頻率來表示，即 ZS=(2-rs2)/jCos(2-as2) ZP=(2-rp2)/jCop(2-ap2)式中 rs=2frs, rp=2frp分別為串臂、并臂諧振角頻率； ra=2 fra , ap=2

20、 fap分別為串臂、并臂反諧振角頻率；為使梯型濾波器的匹配阻抗為線性阻抗Rp，串、并臂阻抗應(yīng)滿足 Zs Zp=R02諧振器的頻率關(guān)系為fapfrs，f0=frp=fasf0。在通帶頻率范圍內(nèi)， f=(fasfrp)/2，將式(4)、(5)代入式(6)，可化為R02=1/(42 f 0s2 C0p)式中 一般取為50 。單端對(duì)諧振器的靜電容可由下式獲得C0=N(r+0)W式N中為IDT電極對(duì)數(shù)；W為IDT有效孔徑；r為基片材料的有效介電常數(shù)。由上述C0p/C0s的取值范圍，根據(jù)上式取C0p、C0s的最優(yōu)值，從而確定串、并臂諧振器的孔徑和指條對(duì)數(shù)。根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論分析和SAW濾波器的傳輸函數(shù)，設(shè)計(jì)出

21、了無線通信系統(tǒng)中移動(dòng)電話用射頻濾波器，基片采用具有高機(jī)電耦合系數(shù)的LiNbO3晶片。為提高濾波器阻帶抑制特性，采用了多節(jié)串聯(lián)的方法，并對(duì)各單端對(duì)諧振器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。 圖6梯型SAW濾波器電路結(jié)構(gòu)示意圖 圖7梯型SAW濾波器頻率特性設(shè)計(jì)得到的SAW濾波器頻率特性如圖7所示，其中心頻率為947.5 MHz，3 dB帶寬30 MHz，插損4.0 dB，SS30 dB，匹配阻抗為50 ，取得了較為滿意的結(jié)果。總結(jié)通過這次通信電路的課程設(shè)計(jì)，我掌握和了解了許多關(guān)于聲表面波濾波器、放大器與超差技術(shù)的有關(guān)知識(shí)，使我知識(shí)面展寬了，同時(shí)更讓我堅(jiān)信，學(xué)好電子技術(shù)方面的知識(shí)，對(duì)以后的發(fā)展是有很大的益處的，在這條路上一直走下去是前途無量的。在聲表面波濾波器的設(shè)計(jì)中，單元電路的設(shè)計(jì)是其中的基礎(chǔ)，只有對(duì)各部分的作用有深刻的了解，才可以設(shè)計(jì)出符合