说起声表面波滤波器，大家可能很陌生，但是它就在我们身边。手机的通信模块中有很多声表面波滤波器。声表面波滤波器被广泛地应用在各种电子设备的射频前端模块中。射频前端模块是通信系统的核心组件。主要包括滤波器（Filters）、低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）、射频开关（RF Switch）、天线调谐开关（RF Antenna Switch）、双工器（duplexer）等。滤波器是射频前端各领域产值占比最高的产品。从下图可以看出，滤波器在射频前端中占的比值在2023年将达到66%。
数据来源：resonant，Qorvo，Yole
滤波器的功能是通过电容、电感、电阻等电学元件组合来将特定频率外的信号滤除，保留特定频段内的信号。由于智能手机需要接收多个频段（5G/4G/3G/2G），同时还要处理多种信号，比如WIFI，BT，GPS信号等。不同通信模式的工作频段不同，所以我们需要在收发链路中使用多个滤波器来避免信号之间的干扰。
滤波器根据实现方式的不同可以分为LC滤波器、腔体滤波器、声学滤波器、介质滤波器等。不同滤波器具有不同的特点，适用于不同的应用场景。在消费类电子的无线通信应用中，由于有低功耗、小尺寸的要求，目前智能手机使用较多的是小体积高性能的声学滤波器，包括声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器，两者具有不同的特点和应用频段。本文主要关注前者——SAW滤波器。
声表面波滤波器的工作原理
我们首先来看看什么是声表面波。
声表面波最早被瑞利发现，所以也被称为瑞利波。1885年，瑞利勋爵发现了表面声波的传播模式，并在他的经典论文[1]中预测了这些波的特性。声表面波具有纵向和垂直剪切分量，可以和设备表面接触的介质进行耦合，其能量被限制在接触表面上进行传播。由于接触表面衬底上的SAW存在与之相关的静电波，所以我们可以在换能器上进行电声转换。由于换能器的形状像一对交叉的手指，所以通常被称为叉指式换能器（IDT）。下图展示了一个叉指式换能器示例。
由交叉电极组成的SAW换能器示意图
叉指型换能器通过压电效应进行电声信号的转换。如上图所示，通过将合适的振荡信号（交流电压）施加到一组经过特定设计的叉指型换能器栅极两端可以激励出SAW信号。从图中可以看出，叉指型由多对交叉电极组成，形成光栅状结构，光栅之间的间距决定了SAW波长。通过将换能器的一侧接地并以SAW速度（对于GaAs约为2700m/s）除以换能器的间距得到的频率施加信号，可以完成电信号到SAW声信号的转换。
SAW滤波器至少由两个换能器组成。下图展示了一个简单的SAW双向滤波器的示意图。
SAW滤波器示意图
在其中一端的换能器上，被激发的SAW信号在衬底表面向前传播，同时压电衬底产生的弹性形变通过压电效应被转换为电能后又能方便地被另一端的叉指型换能器捕捉[3]。因为声表面波和衬底发生了强烈的耦合，所以其传播过程中的振幅和速度都会受到衬底参数的影响，比如衬底质量、宽度、厚度、介电系数、插入损耗等[4]。当SAW从具有适当间距的光栅状结构换能器下方通过时，换能器两端会产生交变电位。至此，整个系统完成了电信号——声信号——电信号的传递过程。下图显示了两个SAW换能器之间的透射频谱图。
SAW滤波器的归一化频响[5]
可以看出，经过一次电声转换、SAW传播和声电转换的过程之后，传输的信号在250MHz临近频带以外的成分将会得到极大的衰减。因此，SAW协助完成了对电信号进行带通滤波的任务。
考虑到由两个换能器和一个衬底构成的器件系统具有特定的频响特性，并且该频响特性可以通过对于换能器和衬底的制备进行操控，而且该器件具有高稳定性、小体积、高选择度、高Q值等特点，所以该系统被成功地用做各种功能的滤波器。
图片来源：ScienceDirect
可想而知，与芯片的制造一样，SAW滤波器的工艺和设计同等重要。因为衬底和IDT换能器的参数对于整个器件的性能有十分巨大的影响。而工艺对于器件的性能来说尤为重要。
SAW的其他应用
除了用作滤波器以外，SAW在其他方面也有十分重要的应用。SAW被广泛地开发为各种传感器。SAW传感器是利用SAW器件作为传感载体，将待测的物理信息通过SAW的频率或速度的变化直观地表现出来，并转换成电信号输出的一种传感器，具有高灵敏度、低成本、低功耗、微型化和直接频率信号输出等优点[2]。
声表面波传感器
声表面波的传输速度比电磁波慢数个量级，因此在传播过程中的声表面波易于被采样分析和处理，所以SAW可以模拟电子器件的各种功能，并且可以使电子器件向多功能化和超小型化[3]方向发展。同时，SAW器件本身在信号获取和处理、频率控制和选择等方面具有突出的优势。因此，SAW设备在通信、雷达和电子对抗中得到了广泛的应用。当前，声表面波技术已经被广泛应用在移动通信、航天航空、环境监控和医疗仪器等众多领域5G时代下，SAW市场规模十分可观。
参考文献：
[1] Rayleigh L. On Waves Propagated Along the Plane Surface of an Elastic Solid[J]. Proc. Lond. Math. Soc, 1885, 1: 4-11. [2] 潘小山， 刘芮彤， 王琴， 等. 声表面波传感器的原理及应用综述[J]. 传感器与微系统, 2018, 37(04): 1-4. [3] 刘小庆. 新型结构声表面波器件研究[D]. 南京邮电大学, 2020. [4] 刘久玲. 声表面波谐振式滤波器的理论分析与实验研究[D]. 中国科学院声学研究所, 2004. [5] Ruppel C C W. Acoustic wave filter technology–a review[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2017, 64(9): 1390-1400.
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