SAW Filter

Jay Chang

通常在 LNA前端 , 會加 SAW Filter, 來抑制 out-band noise對 Rx performance的危害 .但 SAW Filter至少會有 1-2 dB的 Insertion Loss (S21), 最大會到 4 dB.

Noise Figure的公式 從 ANT到 LNA, including ASM、 SAW Filter and Rx path loss, 這三者 loss的總和 , 對於 Rx整體的 Noise Figure, 有最大的影響 .

Rx Block Diagram

先看看沒有 SAW 會怎樣 ?

Without SAW

Blocking 測試時 , 其 out-band 干擾源的強度 , 會比 in-band 干擾源的強度大上許多 .

EGSM 900 為 例 , out-band 干 擾 源 會 到0 dBm.

SAW Filter 可抑制 out-band noise 對 Rx 性能的危害 , 倘若沒有 SAW Filter, 那麼 0 dBm這麼強大的干擾源 , 肯定會使 LNA 飽和 , 導致 Gain 下降 , SNR 變差 , 那麼 sensitivity一樣變爛 . 最差情況就是 LNA 的 Gain 降為零 , 即接收訊號經過 LNA 時 , 完全不會被放大 , 則有可能被 Noise Floor 淹沒 , Rx 完全量不到訊號 .

所以雖然 out-band blocking干擾源 , 其頻率離主頻很遠 , 但因強大的能量 , 仍會使 Rx性能變差 .

雖然 SAW Filter的 insertion loss會使 sensitivity下降 , 但卻抑制了 out-band noise對 Rx性能的危害 .

FBAR Filter, 不僅 insertion loss比 SAW Filter小 , 可降低對 sensitivity的犧牲 , 同時更可加強對 out-band noise的抑制 .

SAW應該放在 LNA前面還是後面 ?

以 GPS 而言 , 一般是前後都加 . 當輸入訊號在 LNA 的線性區時 , 其 Gain 為一定值 , 但當輸入訊號過大時 , 會使 LNA 飽和 , 導致 Gain 下降 , 亦即靈敏度變差 , 稱之為 desense.

SAW Filter Placement (I)

若 LNA 的 Gain 降為零 , 即輸入訊號經過 LNA 時 , 完全不會被放大 , 則有可能被 Noise Floor 淹沒 , 此時稱該接收訊號被阻塞 (Blocked).

由於 GPS 接收的是太空衛星發射的訊號 , 其接收訊號極微弱 , 約 -150 dBm.

SAW Filter Placement (II) GPS 只有單一 channel (1575.42 MHz), 其接收訊號強度並不會大到足以使其 LNA 飽和 . 會使 LNA 飽和的 , 皆為 out-band noise.

以手機而言 , 因為裡面會有許多 RF 功能 , 彼此間可能會有所干擾 .

尤其是 WCDMA, 會有所謂 Tx leakage 的問題 .

Tx Leakage 以手機而言 , GPS與WCDMA都是用同一個 Transceiver, ex: Qualcomm的WTR1625L. 所以若 Rx訊號太過靠近 , 很有可能WCDMA的 Tx leakage會先流到WCDMA的 Rx路徑 , 再耦合到 GPS的 LNA輸入端 . Tx leakage在 LNA輸入端 , 最大可到 -24 dBm, 遠比 GPS接收的 -150 dBm來的大 , 會讓

LNA飽和 .

一般而言 , 會先在 LNA 輸入端 , 放上一顆 SAW Filter, 來抑制 Tx leakage, 避免 GPS的 LNA飽和 .

第一顆 (pre-SAW)先 attenuate Tx leakage(要 low insertion loss)就是 S21平的地方要越 ~>0. 第二顆 (post-SAW)再 attenuate out-band jammer amplified by LNA(要 high attenuation)就是

S21要砍的深 .

TxANT

Rx

SAW Filter Placement (III)

越前級 , 對於 Noise Figure的影響就越大 .

LNA輸入端的 loss對於 Noise Figure影響最大 , 也因此才會說 SAW放後面 sensitivity才會好 , 因為放前面其 insertion loss會直接升高整體的 Noise Figure.

Sensitivity (dBm) = -174 dBm/Hz + NF + 10logBW + SNRmin.

若 Noise Figure高 , sensitivity就爛 , 故 pre-SAW Filter的重點是 low insertion loss.

如果要拿掉 pre-SAW當然 insertion loss減少 , sensitivity提升是有幫助 , 但前提是 : 要馬你LNA 線性度夠不會因強大 out-band noise 而飽和 , 不過這點比較困難 , 因為 DR (dynamic range)的上下限分別是 P1dB跟 sensitivity.

GPS 要接收 -150 dBm 這麼微弱的訊號 , 下限給你定 -150 dBm, DR 給你算 70 dB 好了 , 表示你上限 P1dB 頂多是 -80 dBm, 所以 GPS 要飽和是很容易的 .

SAW Filter Placement (IV) 再來討論 post-SAW , 也就是 LNA之後 , Mixer之前的 SAW Filter. 因為Mixer接收的是 LNA放大後的訊號  , 所以 P1dB要比 LNA更大 , 加上 Cascade IIP3公式可知  :

http://rfic.eecs.berkeley.edu/~niknejad/ee142_fa05lects/pdf/lect9.pdf

以 Rx而言 , 越後端的 Stage其 IIP3對整體線性度有越大影響 .

因此可知相較於 LNA, Mixer的線性度更為重要 , post-SAW的目的是砍掉被 LNA放大後的外來 out-band noise以及 LNA自身產生的 out-band noise, 這是最後一道砍 out-band noise的關卡 .

所以 post-SAW 的重點是 out-band rejection 能力要強 , 雖說通常 out-band rejection 能力大insertion loss 就會爛 , 但 LNA 後的 insertion loss 對整體 Noise Figure 影響不大 . 所以Insertion Loss爛一點沒關係但 out-band要砍得夠深 .

如果Mixer飽和 , 還是一樣  Noise Floor上升 , C/N值下降 , sensitivity還是不會好 .

SAW Filter Placement (V) Pre-SAW: insertion loss要小 , 砍 LNA輸入端的 out-band noise. Post-SAW: out-band rejection要大 , 砍經 LNA放大的外來 out-band noise以及 LNA自身產生的 out-band noise. ANT跟 LNA間要不要加Matching ? 由於Matching是無源會貢獻 insertion loss, 使 Rx整體

Noise Figure壓不下來 , 因此理論上拿掉可以提升 sensitivity.

走線方面要非常注意 : ANT到 LNA的走線要非常短 , 因為走線一長 , 阻抗就很難控制得好 , 同時也會增加 IL. 表層走線具有最短走線距離 , 以及阻抗容易控制在 50 Ohm/100 Ohm的優點 .因此 ANT到

LNA的走線要走表層 . ANT到 LNA的走線 , 其線寬不宜過細 .阻抗誤差如 : 阻抗誤差  = 線寬誤差 /線寬 PCB 廠的制程能力 , 一般來說會有正負 0.5mil 的線寬誤差 , 若線寬過細 , 則可能會有阻抗誤差過大 , 如此阻抗便很難控制得好 , 同時 IL 也會因線寬過細而加大 . 必要時甚至可靠下層挖空的方式 , 在阻抗不變的情況下 , 來拓展線寬 .

SAW Filter in WCDMAEDGE: polar 調製

WCDMA: IQ 調製直接將數字訊號的 I/Q 訊號 , 直接升頻成 RF 訊號

SAW Filter in WCDMA 因 I/Q modulation 容 易 在 mixer 過 程 中 產 生 out-band noise, 所 以 需 要 在 Tx 端 , 增 加

SAW Filter, 尤其是 PA 輸入端 , 如此才能避免 out-band noise 被 PA 放大 , 進而增加 LNA 的Noise Floor, 使其靈敏度下降 .

如果是WCDMA  Band1的話 , 亦可避免 out-band noise被 PA放大 , 進而增加 GPS的Noise Floor.

SAW Filter in WCDMA out-band noise, 也包含諧波 , 所以在 PA 輸入端放 SAW Filter, 先抑制 PA 輸入端的諧波 , 避免因 PA 的非線性效應 , 而使其更加惡化 .

LO leakage跟 2nd harmonic, 有可能會在 PA內部 , 產生 IMD3 進而使 ACLR劣化 . 所以若在 PA前端 , 先用 SAW Filter把 2nd harmonic砍掉 , 可進一步改善 ACLR.

PA前端的 SAW Filter, 可以改善 ACLR、 sensitivity、諧波 , 以及 GPS的 Noise Floor.

SAW Filter in WCDMA

MT6582在 PA前端 , 是沒加 SAW Filter的 . 而拿掉 SAW Filter之後 , 其 sensitivity也不會比較差 .

SAW Filter in WCDMA MT6582在 PA前端 , 是沒加 SAW Filter的 . 而拿掉 SAW Filter之後 , 其 ACLR也不會比較差 .

PA前端的 SAW Filter, 之所以能改善  ACLR、 sensitivity、諧波 , 以及 GPS的 Noise Floor, 主要原因是抑制 Transceiver所產生的 out-band noise(包含諧波 ). 倘若 Transceiver的線性度夠好 , 所產生的 out-band noise很小 , 其實 PA前端是可以不用加 SAW Filter的 . 如上面兩張圖 , 拿掉 SAW也不會使性能劣化。 所以能不能拿掉 PA 前端的 SAW Filter, 是 MTK/Qualcomm 決定的 , 他們一定是對自家 

Transceiver線性度有信心 , 加上做過測試 , 認為不放 SAW Filter也可以使性能達標 , 所以參考電路上 , 不放  SAW Filter. 因此如果參考電路有放 SAW Filter, 但又想節省空間跟成本 , 考慮要不要拿掉 , 建議驗證一下四個 Tx測項 : SEM, ACLR, 諧波 , Transmit Intermodulation倘若都 Pass, 又只需過 CTA的話 , 基本上是可以拿掉的  (因為 CTA在WCDMA部份只測 Tx).

表面聲波 : Surface Acoustic Wave (SAW) 傳統上又稱  Rayleigh wave 以紀念  Lord Rayleigh 於 1884年發現此一物理現象 .

1965年 , White和 Voltmer聯合發明了指叉式換能器 (IDT: Inter Digital Transducer), 從而取得了表面波在濾波器應用技術上的關鍵性突破 .

是一種機械波 , 當它沿著晶體表面行進時 , 在垂直晶體表面的方向 , 能量會以指數形式衰減 , 而當其深入超過一個波長深度時 , 能量密度則降為在表面時的十分之一 .

因此這種波在晶體表面行進時 , 最主要的優點就是能量能夠集中於表層 . 這種獨特的性質 , 使得表面聲波元件可以很容易地運用其所攜帶之能量 .

http://goo.gl/K6ka8O

SAW Filter

 IDT 的結構 SAW 濾波器的結構

製程原理 產生表面聲波最簡單的方式 , 就是利用叉指換能器 (interdigital transducer, IDT)來直接激發表面聲波 , 如下左圖所示 . 叉指換能器分為輸入及輸出兩個部份 , 它們是一層厚度約 200-350 nm的鋁薄膜 (鋁電極 ), 經由光蝕刻 (photolithography)技術成型在壓電單晶材料之基板表面 .

當一個訊號電壓外加到 IDT的正負電極上時 , 在每對叉指 (finger)之間就會建立電場 , 壓電基板表面一受到電場的作用 , 便產生同步耦合之上下振動 , 而激發出表面聲波 . 當同極叉指間的距離等於表面聲波波長時 , 所激發的表面聲波效率最大 , 一般常用的壓電基板材料有 Quartz, LiTaO3, LiNbO3.

SAW的動作原理和丟一顆石頭到池塘而激起水面波紋擴散開來的原理相同 : 用二片長方形板子 , 讓它們浮在水面上 , 然後推壓其中一片板子 , 這時在它們之間會有水波振盪 , 進而使另一片靜止的板子振盪 . 如下右圖 , 在壓電材料表面鍍兩片電極 , 電源信號由其中一電極輸入 , 這時壓電材料表面 , 會產生相同頻率的聲波，傳到另一電極時取出訊號 . 聲波的振幅及相位完全決定於這兩片電極的幾何形狀 .

SAW Filter的作用是將射頻訊號轉換成聲波訊號 , 經過一段距離傳遞之後 , 再將接收之聲波訊號轉換成所需的射頻訊號 , 通常下列參數可決定 SAW元件的特性 : 指狀電極 (IDT)圖形與數目 , 柵狀電極 (grating)圖形與數目 , 金屬化比值 (metallization ratio), 指狀電極交叉長度 (aperture) 的大小 , 膜厚波長比值(thickness/wavelength ratio)及指狀電極與柵狀電極之間的間距 (gap)等 .

SAW Filter

SAW的製程可以和砷化鎵的製程共用，分擔設備成本。且 SAW製程的 Cycle-time很短，不像 HBT那麼久，從試產到量產大概只要 2~3個月。Type: 1. Ceramic Filter 陶瓷濾波器：陶瓷濾波器在高頻濾波器的市場佔有率僅次於 SAW濾波器 , 在手機上一般是做為 IF的第二濾波器，用以提供基頻 IC優質的聲音訊號。2.石英濾波器：石英濾波器所能對應的頻率範圍，比 SAW濾波器低得多，因二氧化矽基板所能產生的頻率較低，加上通過帶域的幅度較小，限制石英濾波器在手機的應用範圍。因此在手機市場的成長性不是很大，但石英濾波器在數位相機、及可攜式資訊終端產品的需求亦不容忽視。手機的 IF用濾波器，已從高價的石英濾波器 (Monolithic Crystal Filter;MCF)轉到較易量產、價格便宜的表面聲波濾波器。目前亦有日本廠商積極開發在溫度特性與小型化的特性上，更為優異的高頻基本波石英濾波器 (High Frequency Fundamental MCF)，將來至少在簡易式行動電話 (PHS)產品，對表面聲波濾波器目前的領導地位帶來挑戰。IF單元所用到 SAW濾波器，可能會被性能更優異的高頻石英濾波器所替代，或是朝免 IF用濾波器的設計發展。而 RF單元方面，亦有廠商試圖以更低廉的其他種類低通濾波器，替代其中一顆 SAW濾波器。3.介質 (誘電體 )濾波器：因其耐電力特性，在 PHS、 PDC、 DECT等規格產品外，亦開發W-CDMA用的介質濾波器、 3.4 GHz以上無線區域網路(WLL)、 2.4 GHz藍芽 (Bluetooth)。介質 (誘電體 )濾波器的用途不限於手機，無線通訊產品是擴大介質濾波器的一大動力。介質 (誘電體 )濾波器因體積小型化進展緩慢，市場成長不如 SAW濾波器，因體積不易縮小。未來將轉朝衛星定位系統等對體積大小要求較低的通訊產品市場發展。在小型化的發展上，已有廠商開發出積層介質濾波器，面積僅為 2.5mm×2.0mm，在業界中屬於極小型化的產品。材料技術與新積層結構是達到小型化與高性能兼顧的原因。4.晶片型積層 LC濾波器：晶片型積層 LC濾波器採用低溫陶瓷共燒 (Low Temperature Co-fired Ceramic)技術，在生胚薄片與低溫共燒陶瓷薄片上，以厚膜印刷方式將電容及電感等元件共同燒結成一多層晶片型濾波器。晶片型 LC濾波器具有小型、輕量、低厚度的特色，也適合大量生產，價格下降有空間。目前用於手機等產品的帶通濾波器上及次世代 CDMA手機的第二 IF濾波器。

由於製程技術精進，以及聲波物理性質等因素， SAW Filters的產品擁有下列發展特點，分述如下：(1) 以簡單的叉指狀電極及單一基板即可執行原先傳統上以上百個電容、電感組成之濾波器的功能。(2) 可以用半導體製程技術大量製造，而有價格上的競爭力。(3) 因為是以半導體製程製造，在性能上產品有非常高的重複性，這在行動電話用的 RF及 IF濾波器以及窄頻、高 Q值共振器尤其重要。(4) 由於聲波波速為電磁波的十萬分之一，因此這類元件在行動通訊對於小型化、質輕、堅固及功率要求上非常符合。(5) 傳統表面聲波濾波器除了工作在基本波之外，也可以工作在諧波頻段，進而提高其工作頻率而避免對於製程設備及技術的投資。(6) Pseudo-SAW （偽表面聲波）的聲速為一般表面聲波的 1.6 倍左右，因此可以在製程方面放寬線寬及線疏的限制使得在同樣製程條件下，將元件工作頻率提高至 GHz以上。(7) Pseudo-SAW 的機電耦合係數與傳統的 SAW比較而言，大了許多，因此可以設計出大頻寬的濾波器，適合射頻前級端使用。(8) 由於 LSAW （ leaky-SAW）的能量是在基板表面以下傳播（相較於表面聲波是在表面以下一個波長內傳遞， LSAW則更深入基板內部），因此相對於 Rayleigh-SAW較不易受表面污染而影響性能。(9) 同上，以功率密度而言，比 Rayleigh-SAW小，因此可以承受較高的功率而不致使 IDT損壞

CDMA/PCS 雙頻行動電話射頻及中頻線路示意圖

PCS /cellular 雙頻行動電話射頻及中頻線路之示意圖。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，每個環節都有不同的應用1.Diplexer:基本上是由一高通及低通濾波器組成，用來將接收到的PCS (Rx: 1930.05 ~ 1989.99 MHz， Tx: 1850.01 ~ 1909.99 MHz) 訊號及 CDMA (869.04 ~ 893.97 MHz， Tx: 824.04 ~ 848.97 MHz)分開，分別送至 PCS 及  Cellular 路徑。

2.Duplexer:Cellular頻段中雙工器（ Duplexer）的功能包括：當發射機雜訊頻率位於接收頻段時，防止降低全雙重模擬工作模式下接收機的靈敏度；衰減功率放大器（ PA）的輸出信號以避免低雜訊放大器（ LNA）進入增益壓縮工作模式；衰減接收機的寄生響應（第一鏡頻和其它寄生響應）；用第一混頻器 LO-RF 埠來衰減第一級本振（ LO）的饋通；衰減發射機輸出諧波和其它寄生信號。

 Ladder Type SAW Filter示意圖

（ GSM/PCS 為 TDMA ，利用不同的時槽分別收發訊號，因此以 T/R Switch 替代Duplexer）。一般以 Leaky-SAW模式的低損耗 Ladder-type 來設計。新的設計利用微機電（MEMS）製程，以薄膜及體聲波之共振器結構組合及產生濾波器的特性，即目前發展的FBAR （ film bulk acoustic resonator）（嚴格來說， FBAR並非利用表面聲波原理，故不屬於 SAW 元件。）。

3.1st RF SAW filter:1st RF SAW filter 指接收高頻信號，初步過濾所需之頻寬。一般要求低損耗（增加系統之靈敏度（ sensitivity））、較大之頻寬選擇性（以避免低雜訊放大器過度負載（ overloading ）產生）、及約 120 dB 之動態範圍（ dynamic range）。4.2nd RF SAW filter:2nd RF SAW filter主要功用為抑制雜訊，主要在防止諧波 （ Harmonics）、鏡像頻率雜訊（ image-frequency noise）及來自 C級放大器雜訊所產生之雜訊。一般可用 Leaky-SAW模式的 Ladder-type共振器濾波器來設計。但目前也有些mixer整合 image reject功能在內，來解決影像訊號干擾的問題。5.IF filter:用來選擇頻道，排拒相鄰其它使用者的頻道，因頻寬更窄，可過濾使用者所需的訊號。由於頻道間隔只有 30 kHz ，因此中頻濾波器必需具有高選擇性及溫度穩定性。帶外衰減特性陡峭、通帶內振幅和相位呈線性特性是 SAW濾波器非常重要的特性，該濾波器決定第二鏡頻抑制，其帶外衰減特性是影響備用訊號通道抑制和接收機整體互調性能的主要因素。一般可以利用在 ST-X 切割角度之石英晶體基板上設計 four-pole waveguide-coupled resonator-filter 來達成。6.Tx interstage filter:用來過濾升頻所產生之 image 訊號，在發射端 RF SAW filter是讓低於某一頻率的訊號過去，由於訊號經過功率放大器（ PA ）後會產生諧波（ harmonics），若以 PCS 1.9 GHz訊號為例，也就是除了原有 1.9 GHz外，還會產生 3.8 GHz 、 5.7 GHz 等倍頻的訊號，經由 RF SAW filter ，保留 1.9 GHz的頻率，將其餘不需要的倍頻濾掉，稱為低通濾波器 LPF （ Low Pass Filter）。由於要求過濾訊號不如接收端來得嚴謹，有些手機廠商就使用 LC filter來替代，而且目前有些晶片組廠商如 TI、 Hitachi的解決方案中也已省略掉發射端的RF SAW filter。一般可利用 Leaky-SAW模式 Ladder-type共振器濾波器來設計。

零中頻（ Zero-IF）則是將 RF訊號直接轉換為基頻訊號，或是由基頻訊號直接轉為 RF訊號，省略掉 IF部份，因此不再需要 image-reject filter、 IF SAW filter，及其他附加的電路，以減少零組件的使用。實用的直接轉換技術要認真解決時變的直流偏置（ DC offset）、 LO信號藉由天線洩露、增益 /相位不匹配和下行正交混頻器中二次非線性失真等問題，並確保在 TDMA動態範圍內系統能正常工作。無線區域網路（Wireless LAN）之線路方塊圖。如同行動電話接收系統一樣，分別有傳統超外差接收系統及直接轉換接收系統，其中 IF SAW filter所需頻寬較行動電話用的 IF SAW filter為寬（調變技術及頻道間隔不同），約在 17 ~ 20 MHz 之間。 RF SAW filter一般則使用陶瓷濾波器以降低成本。隨著直接轉換技術的成熟及廣泛使用， SAW filter在無線區域網路的使用將逐漸減少，不過 Intersil 在 IEEE 802.11a仍有超外差接收系統的設計。

Wireless LAN 之線路方塊圖採用零中頻架構之參考設計

Bluetooth技術(圖七 )為應用在 Bluetooth 之 ISM 2.45 GHz 無線系統之線路方塊圖。其中 IF SAW filter （中心頻率為 110.592） 所需頻寬約為 1MHz。由此方塊圖我們可以看到中頻濾波器亦可由 LC 濾波器替代以降低成本。但以整體性能來看，有 IF SAW filter之解決方案較佳。 (表二 )為各系統規格之一覽表。

ISM 2.45 GHz 無線系統之線路方塊圖

Front-End Module與 LTCC 技術隨著手機性能要求趨向輕、薄、短、小，內部零組件亦趨向小型化及模組化。 (圖八 )所示為 SAW Filter 模組之第一步：增加 balun （ balance-unbalance）功能。再進一步則將 Diplexer、 T/R switch、及 SAW Filter以 LTCC為基板封裝在一起，如 Samsung （ FEM8450T_SM2）  (圖九 )、 Conexant提出的解決方案。目前 PA Module將 Coupler 等週邊線路 /元件內藏於 LTCC基板內為發展重點。基於上述之基礎，將 PA Module及 SAW Filter 整合的 LTCC模組將更趨於普及。 (表三 )所示為手機用之嵌入式功能 LTCC模組一覽表。

SAW Filter 模組

To Be Continued …

http://www.edn.com/design/wireless-networking/4413442/SAW--BAW-and-the-future-of-wireless

http://www.yuden.co.jp/productdata/navigator/en/004/E-SP2_101013.pdf