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GHz高频段的SAW滤波器与SAW谐振器
SAW的英文全称是Surface Acoustic Wave,是声表面波的意思,我们熟悉的声表面波产品主要有两种,分别是SAW滤波器和SAW谐振器,同属于频率控制元器件分类.几十年来SAW相关的技术不断提升,尤其是频率范围,从原来的KHz到MHz,同时性能也越来越好,为不少生产厂家解决了问题.现在SAW的频段已经发展到GHz了,这是为未来的产品研发的,虽然现在并不普及,但随着产品要求越来越高,未来GHz的市场前景非常巨大.
无线通信和半导体技术的发展正在推动使用千兆赫范围频率的各种应用的开发和商业化.这些新应用越来越需要采用谐振器基本振荡模式的高精度和稳定的千兆赫范围石英晶体定时器件,而不需要以高次谐波振荡或低频振荡为基础的锁相环(PLL).
Epson Toyocom的回应是开发了NS-34R谐振器和一对采用NS-34R,EG-9000GC和EV-9000GB的低噪声振荡器.NS-34R基于最初的Epson ToyocomST切割晶体表面声波(SAW)谐振器,已经在批量生产中证明可用于高达800MHz的谐振频率.Epson Toyocom利用其制造技术进一步缩小尺寸并提高IDT的稳定性(在石英基板上以规则图案设置的梳形电极),使NS-34R能够支持高达2.5GHz的共振频率.
1.SAW谐振器：NS-34R
背景技术即使对于SAW声表面波滤波器也快速传播的STW(表面横波)通常用于在基模下实现GHz范围谐振.然而,高精度STW器件难以实现,因为它们的频率对电极线宽和膜厚度高度敏感,这使得它们易受制造工艺变化的影响.相反,使用Epson Toyocom原始ST切割基板的晶体SAW谐振器的频率以及该公司在高达800MHz的谐振频率下大规模生产的频率对电极线宽和薄膜厚度的敏感性远低于STW谐振器.而且,这些晶体SAW谐振器的频率温度系数大约是STW谐振器的三倍.
鉴于这些优势,Epson Toyocom开始着手应用其微加工和稳定技术,努力缩小梳形电极的几何尺寸,并成功开发出高精度的NS-34R声表面谐振器,该谐振器支持高达2.5GHz的谐振频率.
照片1.NS-34R
表1.NS-34R主要规格
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项目 |
产品规格 |
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标称频率范围 |
800MHz-2500MHz |
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频率稳定 |
±200ppm |
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周转温度 |
+37.5°C±20°C |
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抛物线系数 |
(-0.016±0.004)x10-6/°C2 |
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工作温度范围 |
0°C至75°C(正在开发的温度范围更广的产品) |
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外形尺寸(mm) |
3.8x3.8x0.98tmm |
特点：NS-34R的频率稳定性为±200x10-6,包括初始频率容差,频率温度系数和老化.它还具有良好的频率-温度特性.采用2端口结构的谐振器,NS-34R的电气特性包括Q值为1000,插入损耗为6dB.此外,NS-34R的功率耐用性使其能够承受超过+10dBm的功率应用.使用NS-34R可以通过在振荡环路内传播高功率信号同时利用NS-34R的高Q值来实现低相位噪声振荡器.此外,由于NS-34R在中心频率处的VSWR为1.5或更小,当谐振器内置于振荡电路时不需要匹配电路,因此NS-34R也有助于振荡器的小型化.封装尺寸是3.8x3.8x0.98tmm.
图1.NS-34R温度-频率特性
2.GHz频段直接驱动SAW振荡器：EG-9000GC和EV-9000GB
背景：Epson Toyocom使用NS-34R开发EG-9000GCSAW振荡器和EV-9000GB电压控制SAW振荡器(VCSO),两者均直接激发GHz频段的振荡.两种常见类型的振荡电路使用SAW谐振器：Colpitts型或其他负电阻振荡电路和反馈型振荡电路.EG-9000GC和EV-9000GB都使用反馈类型.反馈类型具有较高的器件数,但由于它使用2端口SAW谐振器,因此即使在GHz范围内也可提供高度放大.
照片2.EV-9000GB 照片3.EG-9000GC
特征：图2显示了振荡框图.EG-9000GC的基本电路配置包括SAW谐振器,高频放大器,功率分配器和频率调谐电路.在用于EV-9000GB的配置中,在功率分配器和频率调谐电路之间增加了一个电压控制移相器.块与50欧姆相匹配.电路块详细信息如下.
图2.振荡电路配置
首先,谐振器是NS-34R,它具有高Q值,低插入损耗,高功率耐久性和良好的温度-频率系数.NS-34R的低VSWR和高功率耐用性有助于振荡器的小型化,因为它们不需要外部衰减器或匹配电路.实现低相位噪声需要具有低NF和高饱和输出功率的高频放大器.因此,使用不需要输入-输出匹配电路并且提供大约10dBm饱和输出功率但具有低NF的中输出MMIC用作高频放大器.
接下来,需要一个可以连接的功率分配器,而不会破坏其他电路块上的匹配条件,并且具有良好的负载波动隔离.因此选择了Wilkinson功率分配器,一种提供高度隔离的功率分配器.功率分配器可以紧接在放大器之后放置,以获得高输出功率而无需输出缓冲器,并且还有助于小型化.最后,即使控制电压发生变化,移相器也必须保持恒定的输入/输出阻抗,因此选择使用可变电容二极管并包括3dB混合支路耦合器的反射移相器.
