面向手机的表面波元器件
2009-04-02
作者：村田制作所
前言
近几年来手机上增加了相机、音乐播放机、GPS(全球定位系统)、地面数字视频接收、蓝牙?等众多新功能，展示出惊人的多功能化应用。同时，从超薄机型的广受欢迎可以看出，除了功能之外，消费者对外观设计上的要求也越来越多样化。在手机的小型化，多功能化，多样化的进程中，电子元件飞跃性的小型化、高性能化对手机的发展起到重要的推动作用。天线接收到无线电波后需要筛选出必要的部分并实现稳定通话，因此高频滤波器是手机中必须的电子元件, 而其中表面波滤波器以其体积小，选择度高的优点成为推动手机的进化的电子元件之一。
手机中使用的声音表面波(SAW: Surface Acoustic Wave)元器件用途多样，例如从针对CDMA通信的收发双工器，收发用级间滤波器，针对GSM通信的接收用TOP滤波器，到为手机的多功能化做出贡献的GPS、Wi-Fi、蓝牙?、地面数字视频等各种应用功能。村田制作所致力于开发对应手机多种多样用途的新商品，下文就将介绍面向手机的表面波元器件的最新动向。
收发双工器
CDMA制式的通讯需要同时可以进行接收和发射的双工器。收发双工器是一种通过分歧电路能使发送端(Tx)滤波器和接收端(Rx)的滤波器共用一个天线端的高频元件。收发双工器最重要的性能，就是确保Tx和Rx之间的隔离度(表明Tx和Rx引脚之间的信号可以隔离到什么程度)。在实际使用上，除了提供足够的隔离度之外，其次重要的性能就是分别要降低Tx以及Rx滤波器的损耗。
举例来说，图1所示的是BAND5(800MHz )收发双工器(产品尺寸2.5×2.0×0.6mm)的传输特性以及隔离度。一般的隔离度和过滤性的损耗是相互制约的关系，但本产品对于Tx频段能实现60dB的高隔离度，同时使Rx损耗维持在1.8dB。
图1：W-CDMA BAND5(800MHz)收发双工器的电特性 品名：SAYEV836MAC0F00
第二个例子，以图2的BAND1(2GHz)收发双工器(产品尺寸3.0×2.5×1.1mm)的特性为例。将特殊的设计技术引入到表面波难以实现低损耗的BAND1(2GHz)中来，在得到实际使用所需的隔离度的同时，还能实现Tx损耗1.4dB 和Rx损耗1.8dB这样杰出的低损耗特性。一直以来，介质收发双工器在BAND1(2GHz)频带曾一度占据了主流的地位，而目前表面波做到了不亚于它的损耗值。由此，表面波收发双工器替代了介质收发双工器成为了当今主流。
图2：W-CDMA BAND1(2GHz)收发双工器的电特性品名：SAYZY1G95EA0B00
村田制作所运用高隔离度和低损耗的设计技术，悉心研究用于3GPP(第三代合作伙伴计划)所规定的众多高频段(BAND)的表面波收发双工器产品, 并积极应对用于将来的新一代高速通信频带。在未来的发展中，村田制作所在进行更小型化的收发双工器开发的同时，还将积极研究满足市场需求的接收 (Rx)管脚为平衡输出的双工器。
滤波器
在手机的高频率无线通信电路中使用的表面波滤波器，分为CDMA收发用的级间滤波器和GSM用的TOP滤波器等。村田的滤波器不仅具有低损耗和高抑制度的电特性，还由小型、薄型的各种产品尺寸构成了丰富的商品线，可以对应各种电路设计的需求。例如, 在多频段发展的高频无线通信电路中，为了减小电路基板上的贴装面积，将两个频带的单滤波器(产品尺寸1.35×1.05×0.5mm)合二为一，制造出了双滤波器(产品尺寸1.8×1.35×0.5mm)。此外还运用特殊的技术制造许多独特的商品，如将双层滤波器的输入端合并为一个的1in4out产品，以及将平衡器的输出端合并为一的2in2out产品等。通过共用输入端可以节省原本用于分频的开关(SW)。同时，共用平衡输出端可以使连接滤波器的高频IC的端口数目减少(图3)。这是在表面波滤波器的设计中通过调整阻抗和相位等方法，从而使差分端口实现共用。这些滤波器可以在多频带化发展的高频无线电路中，为外围电路的简化及电路整体的小型化做出贡献。今后村田制作所将继续致力于研发更小型化和高性能化，同时又具有输入端以及输出端共用功能的单滤波器、双滤波器产品。
图3：双层滤波器的输入/出端口结构举例 滤波器的各种应用
GPS，实现近距离无线通信的蓝牙?，Wi-Fi，以及能够接收地面数字视频的各种机型，成为手机日益多功能化的代表。为了将这些应用功能同时装备在一个手机终端上，首先必须评估手机的通讯收发信号以及各应用功能的通信信号的相互干扰程度。为此，就需要在既不影响各应用功能的必要频带上，同时又能够消除手机噪音的滤波器。手机收发通讯使用的信号本身就具有多个频带，而且收发信的频带靠近各种应用功能的必要频带，因此就要求滤波器具有陡峭的抑制特性。而对于远离有效频带的手机收发信频带来说，则需要比较大的衰减抑制度。为满足这些需求，村田制作所在不断制造研发用于各种不同应用功能的表面波滤波器。
以图4的Wi-Fi用TOP滤波器(产品尺寸1.35×1.05×0.5mm)的电特性为例。Wi-Fi频带(2.5GHz)的低频区域有手机的BAND1(2GHz)接收频带，为了防止两者互相干扰，需要对Band2 接收频段有较大的衰减特性。为此，就要用到普遍运用在级间滤波器上的高衰减设计方法。为使Wi-Fi用TOP滤波器能够同时接收和发送，滤波器必须承受较高的发射功率，但传统的的设计方法很难实现。村田制作所导入了特殊的高功率承受性、高衰减设计技术，实现了高功率承受性(24dBm)的同时，又能拥有杰出的低损耗和高衰减特性。今后村田还将进一步发展这一设计技术，研究制造用于高速通信的MIMO用TOP滤波器产品。
图4：Wi-Fi用TOP滤波器的电特性品名：SAFEA2G45AC0F00
今后的展望
作为今后的展望，主要例举以下3点：（1）为使手机设计更进一步小型化和简便化，村田还将致力于模块化的研究--将高频被动元件封装到一个模块中。其中，针对于压铸模和薄型化的需求，村田制作所研制使用了陷入式声波(BPAW: Buried Propagating layer Acoustic Wave)技术的新元件。今后，在继续开发声音表面波元件的同时，还将进行BPAW元件的研制，开发适应压铸模模块、分立电路的更多产品。（2）随着高频IC和IC外围高频元件的性能逐步提升，产生了接收端平衡输出型的收发双工器的新需求。村田制作所将至今为止用于设计级间滤波器的平衡型滤波器所积累的设计技术延用于平衡输出收发双工器，进一步开发能够应对各个频带的产品。 （3）如今手机技术正在马不停蹄地向前发展，可以预计，以目前的第三代移动电话(3G)为出发点，将来追求更高速速率的第3.9代移动电话(3.9G)作为过渡期，手机技术将逐步迈入第4代移动电话(4G)的时代。在向3.9G和4G发展的过程中，用于手机的频带频率会比现在更高，对此，村田制作所将把用心致力于表面波元件的研究作为今后重要的技术课题 。
※蓝牙 是美国Bluetooth SIG, Inc.的注册商标。