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 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 2008電子信息工程（2）班學(xué) 號 080102502 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 2010年12月25日課程設(shè)計任務(wù)書20102011學(xué)年第一學(xué)期專業(yè)： 電子信息工程 學(xué)號： 080102502 姓名： 課程設(shè)計名稱： 通信電路 設(shè)計題目： 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)計依據(jù) 集中參數(shù)濾波器不僅性能優(yōu)良，指標先進，而且調(diào)試簡單（或不需調(diào)試）組裝方便，正在迅速進入各類通信電路中。特別是當整機的

2、頻率特性具有特殊性能指標時，利用專門設(shè)計的濾波器，可以滿足，高擋次的性能要求。當今是新材料、新器件倍增的時代，及時的將新技術(shù)領(lǐng)域成果引入通信系統(tǒng)，以提高通信質(zhì)量，是當前緊迫的重要任務(wù)。同時，由于受各專業(yè)基本概念理論的制約，必須拓寬知識面，才能適應(yīng)當今科學(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)計聲表面波濾波器應(yīng)用電路，并對電路性能進行分析計算，給出元器表。主要技術(shù)指標：1. 中心頻率 37KHZ2. 通頻帶 8KHZ3. 輸入阻抗 1kW4. 輸出阻抗 1kW 三、途徑和方法 1. 課

3、題調(diào)研：查閱通信接收機聲表面波濾波器電路的原理、設(shè)計與調(diào)試資料并了解科技文獻有關(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)計方案3. 對單元電路進行設(shè)計。4. 對整機電路進行設(shè)計，畫出原理電路圖，繪出元器件表。 四、時間安排 課題講解：2小時閱讀資料：12小時撰寫設(shè)計說明書：12小時修改設(shè)計說明書：4小時 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 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程M. 北

4、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）： 批準日期： 年 月 日電子技術(shù) 課程設(shè)計評閱書題目聲表面波在通信電路中的應(yīng)用學(xué)生姓名學(xué)號080102502指導(dǎo)教師評語及成績指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日答辯評語及成績答辯教師簽名： 年 月 日教研室意見 總成績： 教研室主任

5、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，光刻精度進一步提高，使得聲表面波濾波器超小型化成為現(xiàn)實，而通信技術(shù)的快速發(fā)展，對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，它用于電視機和錄像機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，在兩端各形成一對叉指形電極組成。當在發(fā)射換能器上加上信號電壓后，就在輸入叉指電極間形成一個電場使壓

6、電材料發(fā)生機械振動（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，由接收換能器將機械振動再轉(zhuǎn)化為電信號，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、高速、低功耗和高可靠性等優(yōu)點，在通信、雷達和電子對抗中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是它獨有的高頻特性，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，中心頻率和通帶寬度的可調(diào)節(jié)性也成為研究熱點之一。關(guān) 鍵 詞 ：聲表面波; 聲表面波濾波器； 單端對聲表面波諧振器; 無線通信目 錄1緒論12 SAW濾波器基本理論12.1 SAW濾波器的簡介12.2 SAW濾波器的結(jié)構(gòu)及原理22.3 SAW波濾

7、波器的特點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6總結(jié)8致謝9參考文獻101緒論隨著無線移動通信技術(shù)的發(fā)展，人們對移動電話的需求直線上升。為規(guī)范移動通信市場，國際上建立了幾種公用通信系統(tǒng)標準，如美國移動通信系統(tǒng)(AMPS)、擴展總路線通信系統(tǒng)(ETACS)、全球移動系統(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)對關(guān)鍵器件即濾波器的濾波頻率性能都有嚴格的要求。聲表面波(Surface Acoustic Wa

8、ve，SAW)濾波器是一種新型的信號處理器件，可以實現(xiàn)任意精度的頻率特性，這是其他射頻濾波器難以實現(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光面上制作兩個聲電換能器*指換

9、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)計好的兩個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變成聲信號，沿晶體表面?zhèn)鞑ィ敵鰮Q能器再將接收到的聲信號變成電信號輸出。 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聲電換能器叉指換能器(Interdigital Transducer,IDT)，分別用作發(fā)射換能器和接收換能器，如圖1所示。圖1

10、 SAW濾波器機構(gòu)圖發(fā)射換能器將RF信號轉(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轉(zhuǎn)換為電信號輸出。濾波過程是在電到聲和聲到電的轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)，所以可以將SAW濾波器等效為一個兩端口的無源網(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()可等效為一個具有一定延時t0的全通時延網(wǎng)絡(luò)。若輸入和輸出叉指換能器中心間的距離為L，則有 t0=L/Vs (1) H3(C) =A3 exp(-jL0

11、/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SAW濾波器的主要特點是設(shè)計靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時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）性能好、可靠性高、制作的器件

12、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，且能實現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。SAW濾波器的特征和優(yōu)點，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格昂貴，對基片的定向、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。富士通公司控制了移動電話用小型射頻SAW濾波器全球市場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)品尺寸已達到2.5mm×2mm，重22mg，集倒裝式組件

13、和專利諧振器型濾波器設(shè)計于一體，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，為保持其價格上的優(yōu)勢，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)移動通信用SAW濾波器，可提供30多種標準型產(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)射漏泄信號以及各類寄生雜波干擾等方面起到良好的作用，可以實現(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加工技術(shù)，使SAW器件上使用上限頻率提高到

14、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)靡詫崿F(xiàn)，與隔頻傳輸相比，頻譜利用率提高了1倍。電視接收機如果不采用SAW濾波器，不可能穩(wěn)定可靠地工作。事實上，早期SAW濾波器的主要應(yīng)用領(lǐng)域就是以電視機為代表的視聽家電產(chǎn)品，20世紀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濾波器提供了一個廣闊的市場空間，致使其產(chǎn)量和需求呈直線上升趨勢。目前世界SAW濾波器的年產(chǎn)量在6億只以上，其中移動通信等用小型化RFSAW濾波器就達4.3億只。移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端（TX）和接收端（RS）必須經(jīng)過濾波器濾波后才能發(fā)揮作用，

15、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。由于工作頻段、體積和性能價格比等方面的優(yōu)勢，SAW濾波器在移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用中獨占鰲頭，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機接收到的RF信號需先經(jīng)濾波再進行放大。濾波器的電氣特性直接影響到接收信號的靈敏度和精確度，早期生產(chǎn)的BP機一般采用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)用戶愈來愈多，但目前通過電話上網(wǎng)的最大缺

16、點是帶寬太窄（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濾波器的市場前景十分可觀。3 無線通信中用SAW濾波器在移動通信系統(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，在載波上對信號進行調(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，天線接收到的微弱信號經(jīng)SAW濾

17、波器過濾后，進行放大解調(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。但其致命的弱點是體積太大，難以適應(yīng)移動電話向微型化方向發(fā)展的趨勢。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。本文以無線通信系統(tǒng)中移動電話用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)計結(jié)果。 3.1 等效電路分析采用電網(wǎng)絡(luò)分析與綜合理論，將梯型結(jié)

18、構(gòu)的SAW濾波器由單端對SAW諧振器來代替網(wǎng)絡(luò)中的各個單元。此結(jié)構(gòu)具有電感電容(LC)濾波器低損耗的優(yōu)點，而且可承受大功率，體積較小。這種結(jié)構(gòu)一般用來設(shè)計射頻濾波器，工作頻率范圍為3002400 MHz，相對帶寬為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分別為動態(tài)電容、動態(tài)電感，等效電路忽略了動態(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)計單端對諧振器時，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、串臂諧振器的諧振頻率和反諧振頻

19、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，形成阻帶；Zs、ZP性質(zhì)相反，且Zs/ZP>1時，形成通帶；Zs/ZP<1時，形成過渡帶；Zs/ZP=1時的頻率點為截止頻率。 3.2 濾波器的設(shè)計設(shè)計梯型結(jié)構(gòu)濾波器，主要是對單端諧振器的設(shè)計，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 fap分別為串臂、并臂反諧振

20、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)計出了無線通信系統(tǒng)中移動電話用射頻

21、濾波器，基片采用具有高機電耦合系數(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，并對各單端對諧振器進行了優(yōu)化設(shè)計，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?？偨Y(jié)通過這次通信電路的課程設(shè)計，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，使我知識面展寬了，同時更讓我堅信，學(xué)好電子技術(shù)方面的知識，對以后的發(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)計中，單元電路的設(shè)計是其中的基礎(chǔ)，只有對各部分的作用有深刻的了解，才可以設(shè)計出符合設(shè)