Filtry SAW i BAW
| TechnikaSAW (Surface Acoustic Wave) to pasywne filtry wykorzystujące zjawisko piezoelektryczne i powierzchniową propagację fal akustycznych. W porównaniu z innymi typami filtrów mają wiele zalet pod względem parametrów pracy, rozmiarów i ceny. Ostatnio na znaczeniu dzięki rozwojowi sieci 5G zyskuje także technologia BAW (Bulk Acoustic Wave). W artykule przedstawiamy oba typy filtrów.
Zjawisko piezoelektryczne było badane już pod koniec XIX wieku, ale praktyczne zastosowanie znalazło dopiero wraz z rozwojem radia na początku XX wieku. Jest to efekt dwukierunkowy. Zjawisko piezoelektryczne proste polega na powstawaniu na powierzchni materiału ładunku elektrycznego pod wpływem przyłożonych naprężeń mechanicznych, w odwrotnym z kolei materiał odkształca się pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Właściwości takie wykazują materiały piezoelektryczne, na przykład kwarc. Wykonuje się z nich rezonatory będące częścią oscylatorów, które są źródłem częstotliwości wzorcowej w komponentach elektronicznych. Także wykorzystanie rezonansu elektromechanicznego w filtrach, których częstotliwość graniczna zależy od wymiarów oraz właściwości kryształu piezoelektrycznego, nie jest niczym nowym. Już w latach trzydziestych i czterdziestych XX wieku używano ich w wąskopasmowych filtrach częstotliwości pośredniej w odbiornikach superheterodynowych.
Piezoelektryki w filtrach SAW wykorzystuje się do przekształcania energii elektrycznej w mechaniczną, przeniesienia jej w postaci fali akustycznej i konwersji odwrotnej, energii mechanicznej w elektryczną. Przetworniki elektryczno-mechaniczne i mechaniczno-elektryczne IDT (Interdigital Transducer) mają formę metalowych elektrod, którym nadaje się palczasty kształt i które osadza się na materiale piezoelektrycznym (rys. 1).
Filtry SAW
Na rysunku 2 przedstawiono prosty filtr SAW, składający się z: wejściowego i wyjściowego przetwornika IDT, podłoża, absorbera, połączenia ze źródłem sygnału i obciążeniem za pośrednictwem obwodów dopasowujących. Po załączeniu sygnału na wejściu w materiale piezoelektrycznym wytwarza się powierzchniowa fala akustyczna o częstotliwości sygnału wejściowego. Rozchodzi się ona w podłożu i z pewnym opóźnieniem dociera do przetwornika wyjściowego. W nim zostaje przekształcona na powrót w sygnał elektryczny dostępny na wyjściu filtru. W procesie konwersji nieużyteczne składowe sygnału są tłumione. Częstotliwość graniczna filtru zależy od geometrii i rozmieszczenia palczastej struktury elektrod. Na sprawność konwersji elektryczno- mechanicznej wpływa prędkość rozchodzenia się fali akustycznej w podłożu i jego współczynnik sprzężenia elektromechanicznego.
Wyróżnić można dwa typy przetworników IDT: jedno- i dwukierunkowe. Pierwsze wzbudzają powierzchniową falę akustyczną tylko w jedną stronę. Jednofazowe i jednokierunkowe IDT są prostymi i popularnymi przetwornikami, dwu- i wielofazowe z kolei wyróżniają małe straty w zakresie większych częstotliwości (od 1 do 10 dB). Stosunek szerokości pasma przenoszenia do częstotliwości środkowej jest w ich przypadku spory (1...100%). Dwukierunkowe IDT generują falę akustyczną w obu kierunkach z jednakową amplitudą. Pozwalają też uzyskać bardziej stromą charakterystykę częstotliwościową, więc zwykle w tej konfiguracji wykonuje się filtry pasmowo- przepustowe z liniową charakterystykę fazową. W przypadku dwukierunkowych IDT stosunek szerokości pasma przenoszenia do częstotliwości środkowej nie przekracza 5%.
Materiały filtrów SAW
W tabeli 1 wymieniono materiały piezoelektryczne, z których najczęściej wykonuje się filtry SAW. Każdy ma cechy, które najlepiej sprawdzają się w określonym typie filtrów.
Jak już wspomnieliśmy, na sprawność konwersji elektryczno-mechanicznej i w rezultacie parametry filtru ma wpływ prędkość fali akustycznej w podłożu (zależy od niej opóźnienie grupowe sygnału, które jest odwrotnie proporcjonalne do stosunku szerokości pasma do częstotliwości środkowej) i jego współczynnik sprzężenia elektromechanicznego. Ostatni charakteryzuje straty sygnału i ma wpływ na stosunek szerokości pasma do częstotliwości środkowej. Te dwie cechy z kolei zależą od cięcia, elastyczności i charakterystyki tłumienia piezoelektryka – na przykład w zależności od kombinacji typu kryształu oraz kąta jego cięcia można uzyskać inny współczynnik sprzężenia. Im większą ma wartość, tym generowane są silniejsze fale akustyczne, a straty sygnału w przeliczeniu na jednostkę długości podłoża są mniejsze. Pozwala to wykonywać większe filtry (lub dłuższe linie opóźniające, jeżeli struktura SAW pełni tylko taką funkcję).
Ważnym parametrem podłoży piezoelektrycznych jest również współczynnik temperaturowy, który charakteryzuje przesunięcie częstotliwości środkowej filtru w funkcji temperatury pracy. Typowo, z wyjątkiem podłoży kwarcowych, przesuwa się ona liniowo w górę przy niższych temperaturach i w dół w wyższych. Przesunięcie to uwzględniane jest w konstrukcji filtru SAW. W podłożu z kwarcu przesunięcie częstotliwości jest nieliniowe – w zależności od typu cięcia można uzyskać zerowy współczynnik temperaturowy w określonym przedziale temperatur.
Generalnie podłoża kwarcowe sprawdzają się w przypadku filtrów wąskopasmowych o bardzo dużej selektywności. Wyróżnia je także stabilność temperaturowa. Popularny typ cięcia kryształów z tego materiału to ST, choć filtry SAW wykonuje się też na tych z cięciem LST. W przypadku wąskich oraz średnio szerokich pasm przenoszenia optymalne straty zapewniają podłoża litowo-tantalowe. Te z cięciem 112º plasują się pod względem selektywności między podłożami z kwarcu i LiTaO3 42º. W przypadku filtrów szerokopasmowych stosunkowo duży współczynnik sprzężenia niobianu litu sprawia, że jest to odpowiednie podłoże.
Parametry filtrów SAW
filtru pasmowo-przepustowego
W technologii SAW wykonuje się głównie filtry pasmowoprzepustowe oraz wycinające. Dostępne są filtry wąskopasmowe (do 10 MHz), średniopasmowe (do kilkuset MHz) i szerokopasmowe (1,5 do 2 GHz). Ważne ich parametry to: tłumienie wtrąceniowe (insertion loss, IL), które charakteryzuje straty sygnału oraz tętnienia amplitudy (amplitude ripple, AR). Zmiany IL w paśmie przenoszenia zaznaczono na rysunku 3 jako tętnienia AR. Jak we wszystkich filtrach tłumienie wtrąceniowe pogarsza się na krawędzi pasma przepustowego, zniekształcając sygnał. Mają na nie wpływ współczynniki sprzężenia oraz dobroci materiału podłoża. W filtrach wyższego rzędu potrzebny jest kompromis między stopniem przeregulowania tętnień a liniowością fazową. Filtry SAW wymagają również rozproszenia fali odbitej, która zwiększa tłumienie wtrąceniowe, tętnienia, pogarsza liniowość fazy oraz opóźnienie grupowe. Ostatnie, poza tym, że zależy od prędkości fali akustycznej w materiale podłoża, jest wprost proporcjonalne do rzędu filtru i odwrotnie proporcjonalne do szerokości pasma przenoszenia. W filtrach o wąskim pasmie opóźnienie grupowe jest stałe, a w tych o szerokim znacznie się zmienia na krawędzi pasma przepustowego. W filtrach z liniową charakterystyką fazową maksymalne opóźnienie grupowe jest proporcjonalne do odległości między przetwornikami IDT i ograniczone długością podłoża. Współczynnik dobroci jest z kolei miarą zmagazynowanej energii w stosunku do energii rozproszonej. Jest definiowany jako stosunek częstotliwości środkowej CF do szerokości pasma przenoszenia BWP filtru (rys. 3):
Kolejny ważny parametr to współczynnik kształtu. Charakteryzuje on selektywność filtru. Jest to stosunek tłumienia pozapasmowego filtru do tłumienia wewnątrzpasmowego:
Im większa dobroć, tym bardziej stroma charakterystyka przenoszenia filtru (rys. 4). Dobroć zależy od współczynnika sprzężenia podłoża piezoelektrycznego i liczby par struktury palczastej, która określa rząd filtru. Im większy współczynnik sprzężenia i większa liczba par, tym większa dobroć. Na niezawodność filtrów SAW ma wpływ wzrost temperatury wewnętrznej spowodowany stratami mocy – nagrzewanie się zniekształca ich charakterystykę częstotliwościową. Nie dotyczy to struktur z kompensacją temperatury (Temperature Compensated SAW). Zmniejszenie albo wyeliminowanie przesunięć częstotliwości środkowej pod wpływem temperatury uzyskuje się w nich dzięki połączeniu kilku warstw podłoża i określonym kombinacjom materiałów. Przykładem są trójwarstwowe struktury LiTaO3 o cięciach 42°-YX/Si/Cu z elektrodami z aluminium. Typowo impedancja wejściowa filtrów SAW wynosi 50 Ω, a wyjściowa od 100 do 200 Ω. Przy małej impedancji filtr SAW ma duże straty rezystancyjne, a przy dużej problemem staje się pojemność pasożytnicza podłoża. Impedancja zależy od rozmieszczenia i stopnia nakładania się na siebie elektrod struktury palczastej.
Filtry BAW
W przeciwieństwie do filtrów SAW, które opierają się na powierzchniowej transmisji fali akustycznej, w BAW propaguje ona wewnątrz piezoelektryka. Elektrody są osadzone na powierzchni oraz na spodzie tego materiału. Między nimi tworzy się kanał dla fal akustycznych, które w nim rezonują. Powstała fala stojąca ma częstotliwość rezonansową, która zależy od grubości podłoża (im cieńsze, tym większa częstotliwość) oraz grubości i typu metalizacji. Wyróżnia się dwa typy struktur BAW: rezonatory FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator) oraz SMR (Solidly Mounted Resonator). W tych drugich na spodzie umieszcza się akustyczny refl ektor Bragga. Filtry SAW i BAW wykonywane są z różnych materiałów podłoży i elektrod. Najpopularniejszy materiał podłoży BAW to azotek aluminium. Elektrody z kolei wykonuje się z aluminium i m.in. wolframu przy większych mocach.
Podstawowa struktura rezonatora SMR BAW została przedstawiono na rysunku 5. Składa się z cienkiej warstwy materiału piezoelektrycznego umieszczonej między dwoma metalowymi elektrodami cienkowarstwowymi. Po ich zasileniu pole elektryczne między nimi wzbudza falę akustyczną. Ta odbija się od powierzchni elektrod, między którymi tworzy się wnęka akustyczna. Naprzemienne warstwy o małej i dużej impedancji akustycznej pod warstwą piezoelektryka i elektrodami tworzą akustyczny refl ektor Bragga ograniczający energię w kierunku pionowym. Rezonatory projektuje się tak, aby ograniczać emisję energii akustycznej z boków, minimalizować wycieki akustyczne i tłumić niepożądane mody fali.
Tłumienie wtrąceniowe filtrów BAW zależy od kilku czynników, w tym strat w rezonatorach. Te są głównie skutkiem strat w materiałach oraz wycieków akustycznych (rys. 6). Szerokość pasma przepustowego zależy od współczynnika sprzężenia elektromechanicznego – uzyskanie jego jak największej wartości jest jednym z większych wyzwań w projektowaniu filtrów BAW.
Rezonatory łączy się ze sobą w różnych konfiguracjach, by uzyskać różne charakterystyki częstotliwościowe filtrów BAW. Można generalnie wyróżnić dwie topologie: drabinkową (niezrównoważoną), kratową (zrównoważoną) i ich kombinacje (rys. 7). Pierwsza jest najpopularniejsza.
Filtry BAW w sieciach 5G
Filtry BAW mają potencjał, by odegrać ważną rolę w sieciach 5G. Ich specyfika jednak wiąże się z pewnymi wyzwaniami w zakresie wykonania filtrów tego typu. Takim jest wymóg tworzenia cienkich warstw.
W zakresie wysokich częstotliwości, w którym pracują sieci 5G, precyzyjna kontrola grubości oraz jednorodności ultracienkich warstw struktur BAW ma krytyczne znaczenie. Jak bowiem pisaliśmy wyżej, grubość podłoża wpływa na charakterystykę częstotliwościową filtru – im jest cieńsze, tym większa częstotliwość. Przy gigahercowych częstotliwościach sieci 5G warstwy rezonatorów BAW muszą być zatem bardzo cienkie, a nawet niewielkie odchyłki w ich grubości mają znaczący wpływ na charakterystykę częstotliwościową filtra. Różnice wynoszące zaledwie kilka nanometrów spowodują niedopuszczalne odchylenie – na przykład już zaledwie nanometr odchyłki w grubości warstwy w filtrze 5 GHz spowoduje przesunięcie częstotliwości aż o około 10 MHz.
Ponadto krytyczne znaczenie ma utrzymanie niskich strat w rezonatorach, co przy wyższych częstotliwościach z wielu powodów jest trudniejsze. Po pierwsze, straty materiałowe na ogół rosną wraz ze wzrostem częstotliwości. Ponadto, ponieważ warstwy w rezonatorach stają się cieńsze, te muszą mieć mniejszą powierzchnię, by zachować tę samą pojemność. To zaś powoduje, że rosną boczne wycieki akustyczne.
Filtry 5G BAW muszą nie tylko pracować przy wyższych częstotliwościach, ale i zapewnić większe pasmo przenoszenia. To z kolei wymaga lepszego sprzężenia piezoelektrycznego. W rezonatorach BAW zależy ono od: typu oraz jakości materiału piezoelektrycznego, konfiguracji elektrod (dla każdego materiału elektrod istnieje optymalny stosunek grubości, który zapewnia najwyższy współczynnik sprzężenia) i reflektora akustycznego. W tym zakresie producenci testują różne rozwiązania. Na przykład podłoże wykonuje się z warstw azotku glinu domieszkowanego skandem. Materiał ten charakteryzuje duże sprzężenie przy jednocześnie małych stratach – odpowiedni dobór stopnia domieszkowania zapewnia kompromis pomiędzy stromością charakterystyki filtru a szerokością pasma. W zakresie osadzania warstwy piezoelektryka w produkcji na masową skalę sprawdza się natomiast proces rozpylania pulsacyjnego.
Zastosowania mobilne sieci 5G wymuszają również ograniczenia rozmiarów filtrów. To z kolei oznacza, że muszą być w stanie skutecznie odprowadzać ciepło, które się w nich wydziela. W zakresie wyższych częstotliwości jest to trudniejsze, ponieważ warstwy rezonatorów stają się coraz cieńsze. W rezultacie następuje wzrost gęstości mocy, a filtr musi wydajniej rozpraszać ciepło, by utrzymać akceptowalną temperaturę roboczą. Na szczęście sama struktura BAW pomaga złagodzić ten problem – ciepło w filtrach tego rodzaju może być efektywnie rozpraszane przez refl ektor Bragga (rys. 8). Ponieważ w zakresie częstotliwości sieci 5G warstwy filtru są cieńsze, ta ścieżka cieplna staje się krótsza, zwiększając zdolność filtru do rozpraszania nadmiaru ciepła.
Monika Jaworowska
