RF滤波器~声波谐振器原理及类型

声波谐振器原理及类型

正/逆压电效应存在于某些晶格不对称的晶体中。当电压施加到这种晶体上时，静电力使晶体发生机械形变，由于逆压电效应，内部极化，过程中电场做功，电能转化为机械能。当晶体压缩或膨胀时，则由于正压电效应，产生极化电荷，机械能转化为电能。当激励信号频率等于固体结构的固有频率时，在每半个振动周期内，电能与机械能相互转换，产生了谐振现象。

交替的机械变形产生了以4000～12000 m/s的速度传播的声波。在固体内传播的弹性波有纵波和剪切波（横波），剪切波根据质点振动方向与媒介表面垂直和平行，又可以分为竖直（SV）、水平剪切（SH）波。在媒介表面纵波和竖直剪切波耦合形成瑞利波，纵波和水平剪切波耦合形成LOVE波。这2种在媒介表面传播的声波统称为表面波（SAW）。而所谓的BAW器件中的“体声波”则特指固体内纵波。一般而言，纵波比2种剪切波以及2种表面波都更快。这使得体声波谐振器在同样的波长下，更容易实现较高的频率。

如图2所示，展示了不同的压电谐振器结构、声波类型、传播方向以及每种器件的工作频率范围。一般在谐振器结构中利用了表面波的器件称为SAW器件，利用了体声波则称为BAW器件。由此可看出基于SAW和BAW技术的器件可实现覆盖不同频率的应用，其中基于LiNbO₃的XBAR器件由于可以实现超过3 GHz的工作频率而在5G应用中备受关注。图2中的SAW特指基于LiNbO₃的SAW器件，而BAW则特指的是基于AlN的BAW器件。下面将对SAW和BAW器件结构进行展开讨论。

传统的SAW器件由叉指电极和压电衬底构成。其原理是叉指电极施加的交变电场使得压电衬底材料产生周期形变，形成了沿着衬底面内传播的表面波。温度补偿的表面波器件（temperature -compensated SAW，TC-SAW）则在压电材料表面覆盖了一层很薄的二氧化硅（SiO₂），用于实现温度补偿，并在一定程度上提高了Q值。然而由于LiNbO₃表面波波速较低（<4000 m/s），针对某一特定频率设计时，需要的波长就相对较小。因此，高性能声表面波器件（incredible high performance SAW，I.H.P.SAW）在压电晶体层下引入了高声速层和功能层。所谓功能层通常用于频率补偿，是可选项，高声速层则用于限制能量的传播，高声速层的存在提高了表面波的波速，一定程度上改善了SAW器件的频率表现。

图1 不同声波谐振器结构的示意图及工作频段

BAW器件核心是压电层被上下电极所夹持的三明治结构。上下电极施加周期电压时，压电层在面外方向产生周期性伸缩，形成体声波。根据实现方式，主要包含两类型：紧固型体声波谐振器（solidly mounted type resonator，SMR-BAW）和薄膜体声波谐振器（thin film bulk acoustic resonator，FBAR）。二者的区别在于其使用的下面的反射边界不同，前者利用1/4介质波长的高低声速交替生长的布拉格反射层作为反射边界；后者则使用固体—空气交界面作为反射边界。AlN FBAR从约2000年开始实现商业化后取得了巨大的成功，成为了主流的体声波技术。因为固体—空气反射界面相比布拉格反射层反射效果更好，使得FBAR在Q值和耦合系数方面更有优势。而SMR-BAW的优势则在于更高的功率容量和较好的温漂系数，因为布拉格反射器相比空气更利于热量传导，而且使用SiO₂作为低声阻抗层可补偿部分温漂系数。

对高速无线通信的追求，推动了通信系统采用更高的载波频率和更高的信道带宽，催生了对高频和高带宽滤波器的需求。例如，最新投入使用的通信频段：3.3～3.8 GHz（B78）、3.3～4.2 GHz（B77）、4.4～5.0 GHz（B79）、24.25～29.5 GHz（B257，B258、B261）和37～40 GHz（B260），无论是绝对带宽或相对带宽，都比传统通信服务高得多。如今的移动智能电话需要支持多个频段，需要大量的微型高性能滤波器。通常，频率小于2.5 GHz，是传统SAW和TC-SAW器件的应用场景，因其工艺简单，成本方面更有优势。2.5～3.5 GHz是SAW与BAW器件的过渡区。当频率高于3.5 GHz后，SAW器件需要越来越窄的电极，一方面导致更高的光刻成本，另一方面，窄电极引入了更高的损耗，电极发热的增加，又导致功率承受能力下降。在3~6 GHz是常规多晶BAW器件的应用场景，然而随着频率增加，多晶中的缺陷导致的介电损耗越来越不能忽视，因而出现了基于单晶的BAW器件。单晶BAW相比多晶BAW在功率容量、工作频率、器件Q值上都更有优势。

区别于前面提到的SAW和BAW器件，横向激发体声波器件（laterally-excited bulk-waveresonators，XBAR）是一种相对较新的谐振器。其用于激发模式的叉指电极类似SAW，而悬空的薄膜又使其更像FBAR器件。图3展示了基于XBAR结构5G射频器件展示的关键优势：高带宽、高频率范围、具有额定功率以及高Q。以上优势为基于声学谐振器的5G射频器件发展开拓了新的思路。XBAR器件的特性将在下一节进行详细讨论。

图2 基于XBAR结构的5G射频器件的关键优势