发展缘起

在各式各样的消费性电子产品及无线通信产品（如无线电话、移动电话、移动电话基地台、卫星通信）等，都会牵涉到讯号的接收与发射。为了确保讯号的质量，在系统设计时，会使用到数量不一的滤波器。

滤波器的种类很多，除了利用表面声波（Surface Acoustic Wave, SAW）传播特性的SAW滤波器以外，尚有使用诱电体（Dielectric）陶瓷共振器的诱电体滤波器、使用压电陶瓷基板的陶瓷（Ceramic）滤波器、在陶瓷板上以厚膜印刷制作多层LC而成的积层LC滤波器、以及使用水晶基板的MCF （Monolithic Crystal Filter）等；各依所对应之频率范围、频率响应特性、价格之不同而在使用上有所分别。

表面声波（Surface Acoustic Wave；SAW；传统上又称Rayleigh wave以纪念Lord Rayleigh 于1884年发现此一物理现象）是一种性质相当独特的机械波，当它沿着晶体表面行进时，在垂直晶体表面的方向，能量会以指数形式衰减，而当其深入超过一个波长深度时，能量密度则降为在表面时的十分之一，因此这种波在晶体表面行进时，最主要的优点就是能量能够集中于表层。这种独特的性质，使得表面声波组件可以很容易地运用其所携带之能量。

制程原理

产生表面声波最简单的方式，就是利用叉指换能器（interdigital transducer, IDT）来直接激发表面声波，如(图一)所示。基本上，叉指换能器分为输入及输出两个部份，它们是一层厚度约2000A至3500A的铝薄膜（铝电极），经由光蚀刻（photolithography）技术成型在压电单晶材料之基板表面。当一个讯号电压外加到输入换能器的正负电极上时，在每对叉指（finger）之间就会建立电场，压电基板表面一受到电场的作用，便产生同步耦合之上下振动，而激发出表面声波。当同极叉指间的距离等于表面声波波长时，所激发的表面声波效率最大，一般常用的压电基板材料有石英（Quartz）、钽酸锂（LiTaO3）、及铌酸锂（LiNbO3）等。

表面声波组件的动作原理和丢一颗石头到池塘而激起水面波纹扩散开来的原理相同：用二片长方形板子，让它们浮在水面上，然后推压其中一片板子，这时在它们之间会有水波振荡，进而使另一片静止的板子振荡。如(图二)，在压电材料表面镀两片电极，电源信号由其中一电极输入，这时压电材料表面，会产生相同频率的声波，传到另一电极时取出讯号。声波的振幅及相位完全决定于这两片电极的几何形状。

SAW滤波器的作用是将射频讯号转换成声波讯号，经过一段距离传递之后，再将接收之声波讯号转换成所需的射频讯号，通常下列参数可决定SAW组件的特性：指状电极（IDT）图形与数目、栅状电极（grating）图形与数目、金属化比值（metallization ratio）、指状电极交叉长度（aperture）的大小、膜厚波长比值（thickness/wavelength ratio）及指状电极与栅状电极之间的间距（gap）等。

SAW Filters产品特性

由于制程技术精进，以及声波物理性质等因素，SAW Filters的产品拥有下列发展特点，分述如下：

SAW Filters之应用

(图三)为一PCS /cellular 双频移动电话射频及中频线路之示意图。其中包含了Diplexer、Duplexer、1st RF SAW filter、2nd RF SAW filter、IF filter，以及Tx interstage filter等部份，每个环节都有不同的应用，兹分述如下：

1.Diplexer:

基本上是由一高通及低通滤波器组成，用来将接收到的PCS （Rx: 1930.05 ~ 1989.99 MHz，Tx: 1850.01 ~ 1909.99 MHz） 讯号及CDMA （869.04 ~ 893.97 MHz，Tx: 824.04 ~ 848.97 MHz）分开，分别送至PCS 及 Cellular 路径。

2.Duplexer:

Cellular频段中双工器（Duplexer）的功能包括：当发射机噪声频率位于接收频段时，防止降低全双重仿真工作模式下接收机的灵敏度；衰减功率放大器（PA）的输出信号以避免低噪声放大器（LNA）进入增益压缩工作模式；衰减接收机的寄生响应（第一镜频和其它寄生响应）；用第一混频器LO-RF埠来衰减第一级本振（LO）的馈通；衰减发射机输出谐波和其它寄生信号。（GSM/PCS为TDMA，利用不同的时槽分别收发讯号，因此以T/R Switch替代Duplexer）。一般以Leaky-SAW模式的低损耗Ladder-type(图四)来设计。新的设计利用微机电（MEMS）制程，以薄膜及体声波之共振器结构组合及产生滤波器的特性，即目前发展的FBAR （film bulk acoustic resonator）（严格来说，FBAR并非利用表面声波原理，故不属于SAW 组件。）。

3.1st RF SAW filter:

1st RF SAW filter系指接收高频信号，初步过滤所需之带宽。一般要求低损耗（增加系统之灵敏度（sensitivity））、较大之带宽选择性行（以避免低噪声放大器过度负载（overloading）产生）、及约120 dB 之动态范围（dynamic range）。

4.2nd RF SAW filter:

2nd RF SAW filter主要功用为抑制噪声，主要在防止谐波 （Harmonics）、镜像频率噪声（image-frequency noise）及来自C级放大器噪声所产生之噪声。一般可用Leaky-SAW模式的Ladder-type共振器滤波器来设计。但目前也有些mixer整合image reject功能在内，来解决影像讯号干扰的问题。

5.IF filter:

用来选择频道，排拒相邻其它用户的频道，因带宽更窄，可过滤用户所需的讯号。由于频道间隔只有30 kHz ，因此中频滤波器必需具有高选择性及温度稳定性。带外衰减特性陡峭、通带内振幅和相位呈线性特性是SAW滤波器非常重要的特性，该滤波器决定第二镜频抑制，其带外衰减特性是影响备用讯号信道抑制和接收机整体互调性能的主要因素。一般可以利用在ST-X 切割角度之石英晶体基板上设计four-pole waveguide-coupled resonator-filter 来达成。

6.Tx interstage filter:

用来过滤升频所产生之image 讯号，在发射端RF SAW filter是让低于某一频率的讯号过去，由于讯号经过功率放大器（PA）后会产生谐波（harmonics），若以PCS 1.9 GHz讯号为例，也就是除了原有1.9 GHz外，还会产生3.8 GHz、5.7 GHz等倍频的讯号，经由RF SAW filter，保留1.9 GHz的频率，将其余不需要的倍频滤掉，称为低通滤波器LPF （Low Pass Filter）。

由于要求过滤讯号不如接收端来得严谨，有些手机厂商就使用LC filter来替代，而且目前有些芯片组厂商如TI、Hitachi的解决方案中也已省略掉发射端的RF SAW filter。一般可利用Leaky-SAW模式Ladder-type共振器滤波器来设计。

SAW filters各项标准

(表一)为各手机系统的频谱分配表。RF SAW filter的规格是标准化的，其规格是依据各国对手机系统所开放的频段而定，分别在800/900MHz、1.8/1.9GHz，带宽介于27~75 MHz之间。而对于IF SAW filter而言，则是配合手机与芯片组厂商降频设计所需之频率而定，例如Motorola 所用的IF SAW filter有400、360、282、246 MHz等频率，也就是说，IF SAW filter设计规格是不一致，通常是配合手机业者所使用之chipseet solution。一般而言，IF SAW filter频率在400MHz以下，带宽介于55 ~ 650 kHz之间。

主流技术介绍

通讯接收技术

GSM传统超外差接收系统运作过程，是将RF频率透过混频器（mixer）转换为IF频率，之后再转成基频讯号处理。因为有噪声干扰，必须使用其他被动组件，如image reject filter和IF SAW filter。

直接转换技术（零中频（Zero-IF））则是将RF讯号直接转换为基频讯号，或是由基频讯号直接转为RF讯号，省略掉IF部份，因此不再需要image-reject filter、IF SAW filter，及其他附加的电路，以减少零组件的使用。实用的直接转换技术要认真解决时变的直流偏置（DC offset）、LO信号藉由天线泄露、增益/相位不匹配和下行正交混频器中二次非线性失真等问题，并确保在TDMA动态范围内系统能正常工作。

(图五)及(图六)为无线局域网络（Wireless LAN）之线路方块图。如同移动电话接收系统一样，分别有传统超外差接收系统及直接转换接收系统，其中IF SAW filter所需带宽较移动电话用的IF SAW filter为宽（调变技术及频道间隔不同），约在17 ~ 20 MHz 之间。RF SAW filter一般则使用陶瓷滤波器以降低成本。随着直接转换技术的成熟及广泛使用，SAW filter在无线局域网络的使用将逐渐减少，不过Intersil 在IEEE 802.11a仍有超外差接收系统的设计。

Bluetooth技术

(图七)为应用在Bluetooth 之ISM 2.45 GHz 无线系统之线路方块图。其中IF SAW filter （中心频率为110.592） 所需带宽约为1MHz。由此方块图我们可以看到中频滤波器亦可由LC 滤波器替代以降低成本。但以整体性能来看，有IF SAW filter之解决方案较佳。(表二)为各系统规格之一览表。

Front-End Module与LTCC 技术

随着手机性能要求趋向轻、薄、短、小，内部零组件亦趋向小型化及模块化。(图八)所示为SAW Filter 模块之第一步：增加balun （balance-unbalance）功能。再进一步则将Diplexer、T/R switch、及SAW Filter以LTCC为基板封装在一起，如Samsung （FEM8450T_SM2） (图九)、Conexant提出的解决方案。目前PA Module将Coupler 等外围线路/组件内藏于LTCC基板内为发展重点。基于上述之基础，将PA Module及SAW Filter 整合的LTCC模块将更趋于普及。(表三)所示为手机用之嵌入式功能LTCC模块一览表。

《表三 嵌入式功能LTCC模块一览表》

SAW Filters未来发展趋势

未来SAW Filters的发展可以从材料、制程等面向谈起，详细介绍如下：

1.新材料的应用

两种新的材料：LBO及Langasite已引起SAW设计者的注意，因为它们有与钽酸锂（LiTaO3）相当之机电耦合系数，并且在某些切割角度下与石英有一样的零温度系数。LBO会缓慢地溶解于水，而快速地溶解于酸性溶剂，因此不太适合传统的SAW制程。然而这个缺点可以用改变制程为碱性环境而得以克服；或者在其表面镀上薄薄一层的二氧化硅以阻止酸及水的侵蚀。然而，LBO主要缺点为对制程变动非常敏感，并且具有相当大之二次温度系数，因而不太适合要求陡峭之选择性的IF filters使用。

Langasite则适合于一般之干、湿式蚀刻，剥离法（lift-off）之传统的SAW制程，并且有较LBO为小之二次温度系数。其挑战之处在于昂贵的原材料及可重复性及均匀性的Langasite晶圆取得。

2.小型化

如(图十)所示，新的构装技术已将SAW Filters的成品尺寸推至其物理极限例如覆晶技术（flip-chip）及chip scale SAW packaging （CSSP）。未来SAW Filters的大小将只取决于原始设计尺寸。而构装技术将朝向低成本（如塑料封装）及模块化发展，例如LTCC 模块。

3.模块化

如前所述之LTCC 模块，在今明年对搭载SAW Filters 之LTCC 模块产品的需求有增加的可能，如Siemens 及Actel已开始采用SAW Filters搭载品。SAW Filters 制造厂商的客户将不再完全是系统厂商，部份将转移至模块厂商或Design House。价格与质量的兼顾及新系统所引发之工程问题将是新的挑战。（作者为台湾晶技研发处处长）

《图一 IDT 的结构》

《图二 SAW 滤波器的结构》

《图三 CDMA/PCS 双频移动电话射频及中频线路示意图》

《图四 Ladder Type SAW Filter示意图〈数据源:Source：C.K. Cambell〉》

《图五 Wireless LAN之线路方块图〈数据源:Source：Intersil〉》

《图六 采用零中频架构之参考设计〈数据源:Source：Intersil〉》

《图七 ISM 2.45 GHz 无线系统之线路方块图〈数据源:Source：National Semiconductor〉》

《图八SAW Filter 模组〈资料来源:Source：EPCOS〉》