声表面波及其滤波器原理

随着5G技术的广泛应用和普及，智能手机、物联网等领域对高性能、高频率、小型化的声表面波滤波器的需求日益增长。5G技术的高速度、大容量和低延迟特性，制备稳定、高抑制、小体积、低波动、低损耗的高性能窄带SAW滤波器，面临更大的需求与挑战。

SAW器件的工作原理离不开压电效应。当电信号作用于压电材料时，通过逆压电效应，电能被转换为机械能，从而激发出声表面波。激发出的声表面波承载着信号于压电基片表面传播。而正压电效应使机械能再转换为电能，即声信号再转换为电信号，完成整个阶段信号的整理。 

声表面波模式

弹性波在固体中的传播行为受到多种因素的影响，包括波的类型、振动方向以及材料的特性等。主要分为纵波（Longitudinal Wave，L波）和横波（剪切波）两大类。 纵波的质点振动方向与声波传播方向一致；横波的质点振动方向与声波传播方向垂直。此外，横波还可进一步细分为水平剪切波（Shear-horizontal Waves，SH波）和竖直剪切波（Shearvertical Waves，SV波）。前者振动方向与材料表面平行，后者则与之垂直。压电材料中的声表面波往往是由L波、SV波、SH波以及电势四者共同耦合而成的。这种复杂的耦合机制使得压电材料在声波传播和电能转换方面展现出独特的应用潜力。

1）瑞利波 

当压电体的表面受到线性源的激励时，SV 型和L型体声波辐射并不严格与介质表面平行。在表面附近的SV波和L 波通过边界条件相互耦合，形成一个本征模态，即为瑞利波（Rayleigh SAW）。瑞利波作为最常见的表面波，其特性显著：它沿着物体近表面以椭圆轨迹运动，振幅在深入介质时呈指数级迅速衰减，声波蕴含的能量主要集中在一个波长的深度内。瑞利波的传播速度仅与材料参数相关，与频率无关，因此无色散。

2）SH型声表面波 

水平剪切声表面波（Shear Horizontal Surface Acoustic Wave，SH-SAW）形成原理是SH波的场分量与电势相互耦合。其质子位移方向与衬底表面平行，同时仍垂直于传播方向。SHSAW的能量也随着深度呈现指数型衰减。 

3）漏表面波 

漏表面波的质子振动方向与SAW传播方向垂直且与压电材料表面平行，传播时需向体内辐射部分体声波，其质子振动如图所示。波速快于瑞利波，器件功率承受能力强。

4）兰姆波 

当声表面波侧向进入与声波波长相近的薄压电材料时，会激发出特殊声表面波，称为兰姆波（Lamb Wave）。兰姆波按质点振动方向相对于平面的对称性分为对称型和反对称型。压电薄膜能激发多种兰姆波，其激发条件取决于薄膜厚度与声波波长的比值，且频率和薄膜厚度影响声波波速，此为兰姆波的频散特性。在某些研究中，S0模态兰姆波被称为纵向漏声表面波（Longitudinal Leaky Surface Acoustic Wave，LLSAW），主要由L波分量和Φ耦合形成。LLSAW具有高波速、低频率温度系数及大机电耦合系数等特点，在高频、极端工作温度要求及大带宽器件中有应用拓展。

压电材料中的关键物理参数包括波速vs、传输损耗、机电耦合系数K2和频率温度系数（TCF），这些参数反映了不同切向以及不同材料的材料固有SAW传播特性，密切影响制作的SAW滤波器的性能。

1）波速 

SAW波速主要取决于压电材料的弹性模量，这一特性直接决定了声表面波器件的工作频率。因此，为了制备高频声表面波器件，需要选具有高传播速度的压电材料。而高波速的优势不仅在于能够支持器件的高频工作，更在于它能够显著减少波在传输过程中的损耗，有助于实现更低损耗的器件。

2）传输损耗 

传输损耗即为SAW在传输过程中的衰减，降低传播损耗是提升SAW器件性能的核心所在。当前研究主要聚焦于以下几个方面：一是通过精细加工技术降低压电材料表面粗糙度，减少因表面不平整造成的散射和能量损失；二是提高材料制备工艺，确保压电材料的均匀性和一致性，从而减小晶格缺陷对传播损耗的影响；三是优化叉指换能器结构，改善声波与电信号的转换效率，进一步降低损耗。 

3）机电耦合系数 

机电耦合系数K2反映压电材料机械能与电能的转换效率。影响因素有压电材料的压电系数等固有属性、压电材料的切向和SAW传播方向。不同种压电材料的K2存在显著差异，同种压电材料的K2也会因切向等因素的改变而存在较大差异。SAW器件的相对带宽直接受到机电耦合系数大小的影响。

4）频率温度系数 

频率温度系数（Temperature Coefficient of Frequency，TCF）是反映SAW器件的中心频率随环境温度变化而变化的程度的物理量。它反映了SAW器件在高温或极低温环境下应用效果的稳定性。TCF越小，器件性能越稳定。

主要压电材料 

各向异性的压电单晶是具有实用性、且可根据不同切向基片来优化SAW器件性能的良好材料。目前，石英、铌酸锂和钽酸锂三种压电单晶材料展现了良好的压电性能，在行业内应用广泛。

1）石英（SiO₂）晶体理化性质稳定，机械强度高。石英单晶的特点是其介电常数ε、压电系数d以及机电耦合系数K2偏小。ST切等切向的石英具备温度系数为零的特性，适用于高温度稳定性的SAW器件。 

石英常见切型

2）钽酸锂（LiTaO₃，简称LT）是一种具备优秀压电性、介电性、热释电性，以及电光效应、非线性光学效应和声光效应等重要特性的晶体。用作SAW器件的压电材料时，LT展现出大机电耦合系数、低温度系数（TCF）、低传输损耗和优秀的温度稳定性等优势。

3）LN 单晶的机电耦合系数大，因此能够制备相对带宽高达50%的SAW器件，然而，其TCF也更大，温度稳定性不佳

LN常见切型

常见SAW滤波器结构

1）TC-SAW 

温度补偿声表面波滤波器（Temperature Compensated-SAW，TC-SAW）旨在降低SAW器件的温度系数（TCF），通过在叉指换能器上方覆盖具有负温度系数的SiO₂温度补偿层来实现。尽管TC-SAW成功解决了传统SAW器件TCF过大的问题，但仍然面临工作频率低和带宽小的局限。更甚的是，SiO₂层的引入还可能降低机电耦合系数与声速，对器件性能产生不利影响。 

2）I.H.P. SAW 

I.H.P. SAW（Incredible High Performance SAW）是一种高性能的SAW器件，其结构基于LT单晶压电层及其以下多层膜衬底设计，如图所示。压电薄膜下方设置了功能层（低声速层）和高声速层，这些层通过声速的反射作用，一方面有效地阻止了漏波为主的声表面波向下泄漏，另一方面抑制声波于衬底表面侧辐射和衍射，从而较传统SAW器件数倍提升器件的Q值，至4000以上，且耦合系数也获得了大幅提升。 

3）SMR SAW 

兰姆波在体方向上存在显著的散射现象，因此，传统的高低声速层结构难以有效地将声波能量限制在压电层中。故基于兰姆波运作的SAW器件需采用特殊的反射结构。固体装备性SAW（SMR SAW）采用的方案是布置低声阻抗层和高声阻抗层交替排列的布拉格反射层。这种结构使得声波在不同声阻抗层交界处发生反射，有效阻止声波向下泄漏。

SAW滤波器类型 

1）单相单向换能器 

单相单向换能器（Single Phase Unidirectional Transducer，SPUDT）的原理是通过特定的IDT结构抵消声电再生反射，从而抑制三次行程信号。这种设计的根源在于换能中心与反射中心的不重合

2）横向耦合谐振滤波器 

横向耦合谐振滤波器（Transversely-Coupled Resonator filter，TCRF），其核心组成部分为两个相邻SAW单端谐振器。这种滤波器的带宽受多种因素影响，主要包括两谐振器间距、IDT孔径以及能量捕获的强弱。TCRF具备一系列显著特点，包括插入损耗较低；带外抑制能力强等。

3）纵向耦合谐振滤波器（Longitudinally-Coupled Resonator Filter，LCRF）又称DMS双模滤波器，因其低插入损耗特性备受青睐。LCRF的主要特性体现在其带宽与机电耦合系数之间的紧密关系上，这使得带宽的设计并不具备高度灵活性。它在远端带外表现优异，但矩形系数并不理想。

4）阻抗元型梯形滤波器 

梯形结构（Ladder）SAW滤波器，也被称为阻抗元件滤波器（IEF），是目前射频通信领域广泛应用的带通滤波器。构成梯形SAW滤波器的基本单元是单端SAW谐振器。在压电基片上制作多个同步的SAW谐振器。梯形SAW滤波器的显著优势是其插入损耗小、带宽范围大以及无需外电路匹配。梯形滤波器普遍在频响上近端抑制优秀，但远端抑制相对较差。为了提升阻带抑制效果，通常采取多级级联的方式。