如何在电路板上安装和匹配 SAW 滤波器,发挥 SAW 滤波器的最佳性能,这对于应用 SAW 滤波器的人员很重要,为此我们介绍 SAW 滤波器的使用和匹配。
一般的 SAW 滤波器在接入电路中都要求前后级加匹配,这些匹配结构和元件值由滤波器制造厂家提供,系统人员在设计 PCB 时就要考虑匹配。我们要避免将匹配元件安装在 SAW 滤波器的内部,这不象LC 滤波器容易将匹配和滤波器作为一个整体考虑。如果将匹配元件安装在 SAW 滤波器的内部,器件的可靠性将是一个很大的问题。
(1)取得小的驻波系数。特别是高损耗 SAW 滤波器,其驻波系数一般在 5~10,匹配后能改善到2~5。对于低损耗 SAW 滤波器通过匹配可以使驻波系数达到 1.2~2。(2)取得小的损耗。对于损耗在 30~40dB 的高损耗 SAW 滤波器通过匹配能够获得 20~25dB 的损耗。而对于 SPUDT 的滤波器,要求必须匹配才能得到小的损耗。(3)取得平坦的通带特性。对于大带宽 SAW 滤波器、TCRF 滤波器、SPUDT 滤波器等如果不匹配,通带波纹很大,匹配后不但损耗降低,还能够得到平坦的通带特性。(4)LC 匹配网络设计得当,能够更好的起到 LC 滤波器的作用,提高远端带外抑制。
SAW 滤波器的匹配不同于其他滤波器的匹配,针对不同结构的 SAW 滤波器其匹配目标不同。对于高损耗 SAW 滤波器并不是特别需要与外部电路完全的共轭理想匹配,因为在较大的声辐射条件下,改进理想匹配虽能实现低损耗,但却是以增加幅度和相位波动为代价的。这一些器件通常有意使器件在某些特定的程度上失配。对于中等损耗的 SPUDT 滤波器,其匹配也不完全是理想电匹配。对于 1~4dB 的低损耗 SAW 滤波器则要求尽量理想电匹配以取得最小损耗。
为了使声表面波器件应用简单,滤波器的输入输出端一般都会采用二元件进行匹配。对不同的 SAW 滤波器 S 参数,匹配网络不同,应该要依据 Smith 圆图,选取合适的匹配网络结构。在 Smith 圆图中,经匹配从起点到目的位置点经过的曲线长度越短,匹配后频响特性越好。如图 1(c)中两条曲线(a)、(b)的匹配电路网络。
匹配结构确定后,怎么样找到匹配元件值?一般有两种方法:一是试验法。借助于矢量网络分析仪的Smith圆图和频响图实际匹配。二是借助于矢量网络分析仪,提取SAW滤波器的S参数,计算滤波器的四端网络导纳Y参数,通过软件匹配计算匹配元件值,最后指导试验匹配。
(1) 评估板和系统板上的匹配元件值有些差异,其原因是分布参数不同,需要微调元件值。
(3) 低损耗滤波器通常要求最佳匹配,以得到小的损耗和驻波系数(SWR)。
SAW 滤波器与 LC 滤波器、介质滤波器、腔体滤波器相比,损耗大、信号延迟时间长,因此 SAW 滤波器的装配比其他滤波器更讲究。例如:一个 25dB 损耗 SAW 滤波器,要求滤波器带外抑制大于 55dB,则对 PC 板隔离度要求大于 80dB。因此,抑制好输入输出之间的直通信号是 SAW 滤波器的装配的主要问题。
SAW 滤波器的直通信号对滤波器性能的影响有两方面:一是恶化带外抑制;二是通带波纹增大。图 2是横向 SAW 滤波器的典型脉冲响应,图 3 是同一只 SAW 滤波器不同安装引起直通信号抑制不同,得到的滤波效果也完全不同。
SAW 滤波器的直通来源大致有三方面:一是 PC 板的布线带来的输入输出之间的杂散电容 C1、C2;二是输入输出的匹配之间的耦合;三是匹配地和滤波器的地并不是理想地,由地电阻引起耦合。如图 4 所示。
针对直通信号的来源,比较好的 SAW 滤波器的 PC 板按图 5 设计,并注意如下几点:(1) 采用双面大面积接地的 PC 板。
(3) 滤波器接地底座紧贴 PC 板,以便接地良好。可能的话,外壳边缘与 PC 板加焊几个点。
(5) 匹配网络和滤波器各自的地电流回路尽量短,以减小地电流回路引起的耦合。
(7) 可能的话,在滤波器输入输出间的 PC 板开隔离槽减小 PC 板介质层引起的 RF 泄漏。