Saw filters

 通常在LNA前端, 會加SAW Filter, 來抑制out-band noise對Rx performance的危害.
但SAW Filter至少會有1-2 dB的Insertion Loss (S21), 最大會到4 dB.
 Noise Figure的公式
 從ANT到LNA, including ASM、SAW Filter and Rx path loss, 這三者loss的總和,
對於Rx整體的Noise Figure, 有最大的影響.
Rx Block Diagram

先看看沒有SAW會怎樣 ?
Without SAW
 Blocking測試時, 其out-band干擾源的強度,
會比in-band干擾源的強度大上許多.
 EGSM 900為例, out-band干擾源會到0 dBm.
 SAW Filter可抑制out-band noise對Rx性能的
危害, 倘若沒有SAW Filter, 那麼0 dBm這麼
強大的干擾源, 肯定會使LNA飽和, 導致Gain
下降, SNR變差, 那麼sensitivity一樣變爛.
 最差情況就是LNA的Gain降為零, 即接收訊
號經過LNA時, 完全不會被放大, 則有可能
被Noise Floor淹沒, Rx完全量不到訊號.
 所以雖然out-band blocking干擾源, 其頻率離
主頻很遠, 但因強大的能量, 仍會使Rx性能
變差.

 雖然SAW Filter的insertion loss會使sensitivity下降, 但卻抑制了out-band noise對Rx性能的危害.
 FBAR Filter, 不僅insertion loss比SAW Filter小, 可降低對sensitivity的犧牲, 同時更可加強對out-
band noise的抑制.

SAW應該放在LNA前面還是後面 ?
 以GPS而言, 一般是前後都加.
 當輸入訊號在LNA的線性區時, 其Gain為一定值, 但當輸入訊號過大時, 會使LNA飽和, 導致
Gain下降, 亦即靈敏度變差, 稱之為 desense.
SAW Filter Placement (I)
 若LNA的Gain降為零, 即輸入訊號經過LNA時, 完全不會被放大,
則有可能被Noise Floor淹沒, 此時稱該接收訊號被阻塞(Blocked).
 由於GPS接收的是太空衛星發射的訊號, 其接收訊號極微弱, 約-150 dBm.

SAW Filter Placement (II)
 GPS只有單一channel (1575.42 MHz), 其接收訊號強度
並不會大到足以使其LNA飽和. 會使LNA飽和的, 皆為
out-band noise.
 以手機而言, 因為裡面會有許多RF功能, 彼此間可能會
有所干擾.
 尤其是WCDMA, 會有所謂Tx leakage的問題.

Tx Leakage
 以手機而言, GPS與WCDMA都是用同一個Transceiver, ex: Qualcomm的WTR1625L.
 所以若Rx訊號太過靠近, 很有可能WCDMA的Tx leakage會先流到WCDMA的Rx路徑, 再耦合
到GPS的LNA輸入端.
 Tx leakage在LNA輸入端, 最大可到-24 dBm, 遠比GPS接收的-150 dBm來的大, 會讓LNA飽和.
 一般而言, 會先在LNA輸入端, 放上一顆SAW Filter, 來抑制Tx leakage, 避免GPS的LNA飽和.
 第一顆(pre-SAW)先attenuate Tx leakage(要low insertion loss)就是S21平的地方要越~>0.
 第二顆(post-SAW)再attenuate out-band jammer amplified by LNA(要high attenuation)就是S21要
砍的深.
TxANT
Rx

SAW Filter Placement (III)
 越前級, 對於Noise Figure的影響就越大.
 LNA輸入端的loss對於Noise Figure影響最大, 也因此才會說SAW放後面sensitivity才會好, 因為
放前面其insertion loss會直接升高整體的Noise Figure.
 Sensitivity (dBm) = -174 dBm/Hz + NF + 10logBW + SNRmin.
 若Noise Figure高, sensitivity就爛, 故pre-SAW Filter的重點是low insertion loss.
 如果要拿掉pre-SAW當然insertion loss減少, sensitivity提升是有幫助, 但前提是: 要馬你LNA線
性度夠不會因強大out-band noise而飽和, 不過這點比較困難, 因為DR (dynamic range)的上下限
分別是P1dB跟sensitivity.
 GPS要接收-150 dBm這麼微弱的訊號, 下限給你定-150 dBm, DR給你算70 dB好了, 表示你上
限P1dB頂多是 -80 dBm, 所以GPS要飽和是很容易的.

SAW Filter Placement (IV)
 再來討論post-SAW , 也就是LNA之後, Mixer之前的SAW Filter.
 因為Mixer接收的是LNA放大後的訊號 , 所以P1dB要比LNA更大, 加上Cascade IIP3公式可知 :
http://rfic.eecs.berkeley.edu/~niknejad/ee142_fa05lects/pdf/lect9.pdf
 以Rx而言, 越後端的Stage其IIP3對整體線性度有越大影響.
 因此可知相較於LNA, Mixer的線性度更為重要, post-SAW的目的是砍掉被LNA放大後的外來
out-band noise以及LNA自身產生的out-band noise, 這是最後一道砍out-band noise的關卡.
 所以post-SAW的重點是out-band rejection能力要強, 雖說通常out-band rejection能力大insertion
loss就會爛, 但LNA後的insertion loss對整體Noise Figure影響不大. 所以Insertion Loss爛一點沒
關係但out-band要砍得夠深.
 如果Mixer飽和, 還是一樣 Noise Floor上升, C/N值下降, sensitivity還是不會好.

SAW Filter Placement (V)
 Pre-SAW: insertion loss要小, 砍LNA輸入端的out-band noise.
 Post-SAW: out-band rejection要大, 砍經LNA放大的外來out-band noise以及LNA自身產生的out-
band noise.
 ANT跟LNA間要不要加Matching ? 由於Matching是無源會貢獻insertion loss, 使Rx整體Noise
Figure壓不下來, 因此理論上拿掉可以提升sensitivity.
走線方面要非常注意:
 ANT到LNA的走線要非常短, 因為走線一長, 阻抗就很難控制得好, 同時也會增加IL.
 表層走線具有最短走線距離, 以及阻抗容易控制在50 Ohm/100 Ohm的優點.因此ANT到LNA的
走線要走表層.
 ANT到LNA的走線, 其線寬不宜過細.阻抗誤差如: 阻抗誤差 = 線寬誤差/線寬
 PCB廠的制程能力, 一般來說會有正負0.5mil的線寬誤差, 若線寬過細, 則可能會有阻抗誤差過
大, 如此阻抗便很難控制得好, 同時IL也會因線寬過細而加大.
 必要時甚至可靠下層挖空的方式, 在阻抗不變的情況下, 來拓展線寬.

SAW Filter in WCDMA
EDGE: polar 調製
WCDMA: IQ 調製直接將數字訊號的I/Q訊號, 直接升頻成RF訊號

SAW Filter in WCDMA
 因I/Q modulation容易在mixer過程中產生out-band noise, 所以需要在Tx端, 增加SAW Filter, 尤
其是PA輸入端, 如此才能避免out-band noise被PA放大, 進而增加LNA的Noise Floor, 使其靈敏
度下降.
 如果是WCDMA Band1的話, 亦可避免out-band noise被PA放大, 進而增加GPS的Noise Floor.

SAW Filter in WCDMA
 out-band noise, 也包含諧波, 所以在PA輸入端放SAW Filter, 先抑制PA輸入端的諧波, 避免因PA
的非線性效應, 而使其更加惡化.
 LO leakage跟2nd harmonic, 有可能會在PA內部, 產生IMD3 進而使ACLR劣化.
 所以若在PA前端, 先用SAW Filter把2nd harmonic砍掉, 可進一步改善ACLR.
 PA前端的SAW Filter, 可以改善ACLR、sensitivity、諧波, 以及GPS的Noise Floor.

SAW Filter in WCDMA
 MT6582在PA前端, 是沒加SAW Filter的. 而拿掉SAW Filter之後, 其sensitivity也不會比較差.

SAW Filter in WCDMA
 MT6582在PA前端, 是沒加SAW Filter的. 而拿掉SAW Filter之後, 其ACLR也不會比較差.
 PA前端的SAW Filter, 之所以能改善 ACLR、sensitivity、諧波, 以及GPS的Noise Floor, 主要原
因是抑制Transceiver所產生的out-band noise(包含諧波). 倘若Transceiver的線性度夠好, 所產生
的out-band noise很小, 其實PA前端是可以不用加SAW Filter的. 如上面兩張圖, 拿掉SAW也不
會使性能劣化。
 所以能不能拿掉 PA前端的SAW Filter, 是MTK/Qualcomm決定的, 他們一定是對自家
Transceiver線性度有信心, 加上做過測試, 認為不放SAW Filter也可以使性能達標, 所以參考電
路上, 不放 SAW Filter.
 因此如果參考電路有放SAW Filter, 但又想節省空間跟成本, 考慮要不要拿掉, 建議驗證一下四
個Tx測項: SEM, ACLR, 諧波, Transmit Intermodulation倘若都Pass, 又只需過CTA的話, 基本上
是可以拿掉的 (因為CTA在WCDMA部份只測Tx).

 表面聲波: Surface Acoustic Wave (SAW) 傳統上又稱 Rayleigh wave 以紀念 Lord Rayleigh 於
1884年發現此一物理現象.
 1965年, White和Voltmer聯合發明了指叉式換能器(IDT: Inter Digital Transducer), 從而取得了
表面波在濾波器應用技術上的關鍵性突破.
 是一種機械波, 當它沿著晶體表面行進時, 在垂直晶體表面的方向, 能量會以指數形式衰減,
而當其深入超過一個波長深度時, 能量密度則降為在表面時的十分之一.
 因此這種波在晶體表面行進時, 最主要的優點就是能量能夠集中於表層. 這種獨特的性質, 使
得表面聲波元件可以很容易地運用其所攜帶之能量.
http://goo.gl/K6ka8O
SAW Filter

IDT 的結構 SAW 濾波器的結構
製程原理
 產生表面聲波最簡單的方式, 就是利用叉指換能器(interdigital transducer, IDT)來直接激發表面聲波, 如下左
圖所示. 叉指換能器分為輸入及輸出兩個部份, 它們是一層厚度約200-350 nm的鋁薄膜(鋁電極), 經由光蝕
刻(photolithography)技術成型在壓電單晶材料之基板表面.
 當一個訊號電壓外加到IDT的正負電極上時, 在每對叉指(finger)之間就會建立電場, 壓電基板表面一受到電
場的作用, 便產生同步耦合之上下振動, 而激發出表面聲波. 當同極叉指間的距離等於表面聲波波長時, 所
激發的表面聲波效率最大, 一般常用的壓電基板材料有Quartz, LiTaO3, LiNbO3.
 SAW的動作原理和丟一顆石頭到池塘而激起水面波紋擴散開來的原理相同: 用二片長方形板子, 讓它們浮
在水面上, 然後推壓其中一片板子, 這時在它們之間會有水波振盪, 進而使另一片靜止的板子振盪. 如下右
圖, 在壓電材料表面鍍兩片電極, 電源信號由其中一電極輸入, 這時壓電材料表面, 會產生相同頻率的聲波，
傳到另一電極時取出訊號. 聲波的振幅及相位完全決定於這兩片電極的幾何形狀.
 SAW Filter的作用是將射頻訊號轉換成聲波訊號, 經過一段距離傳遞之後, 再將接收之聲波訊號轉換成所需
的射頻訊號, 通常下列參數可決定SAW元件的特性: 指狀電極(IDT)圖形與數目, 柵狀電極(grating)圖形與數
目, 金屬化比值(metallization ratio), 指狀電極交叉長度(aperture)的大小, 膜厚波長比值(thickness/wavelength
ratio)及指狀電極與柵狀電極之間的間距(gap)等.
SAW Filter

SAW的製程可以和砷化鎵的製程共用，分擔設備成本。且SAW製程的Cycle-time很短，不像HBT那麼久，從試產到量產大概
只要2~3個月。
Type:
1. Ceramic Filter 陶瓷濾波器：
陶瓷濾波器在高頻濾波器的市場佔有率僅次於SAW濾波器, 在手機上一般是做為IF的第二濾波器，用以提供基頻IC優質的聲
音訊號。
2.石英濾波器：
石英濾波器所能對應的頻率範圍，比SAW濾波器低得多，因二氧化矽基板所能產生的頻率較低，加上通過帶域的幅度較小，
限制石英濾波器在手機的應用範圍。因此在手機市場的成長性不是很大，但石英濾波器在數位相機、及可攜式資訊終端產
品的需求亦不容忽視。手機的IF用濾波器，已從高價的石英濾波器(Monolithic Crystal Filter;MCF)轉到較易量產、價格便宜
的表面聲波濾波器。目前亦有日本廠商積極開發在溫度特性與小型化的特性上，更為優異的高頻基本波石英濾波器(High
Frequency Fundamental MCF)，將來至少在簡易式行動電話(PHS)產品，對表面聲波濾波器目前的領導地位帶來挑戰。
IF單元所用到SAW濾波器，可能會被性能更優異的高頻石英濾波器所替代，或是朝免IF用濾波器的設計發展。而RF單元方
面，亦有廠商試圖以更低廉的其他種類低通濾波器，替代其中一顆SAW濾波器。
3.介質(誘電體)濾波器：
因其耐電力特性，在PHS、PDC、DECT等規格產品外，亦開發W-CDMA用的介質濾波器、3.4 GHz以上無線區域網路(WLL)、
2.4 GHz藍芽(Bluetooth)。介質(誘電體)濾波器的用途不限於手機，無線通訊產品是擴大介質濾波器的一大動力。介質(誘電
體)濾波器因體積小型化進展緩慢，市場成長不如SAW濾波器，因體積不易縮小。未來將轉朝衛星定位系統等對體積大小要
求較低的通訊產品市場發展。
在小型化的發展上，已有廠商開發出積層介質濾波器，面積僅為2.5mm×2.0mm，在業界中屬於極小型化的產品。材料技術
與新積層結構是達到小型化與高性能兼顧的原因。
4.晶片型積層LC濾波器：
晶片型積層LC濾波器採用低溫陶瓷共燒(Low Temperature Co-fired Ceramic)技術，在生胚薄片與低溫共燒陶瓷薄片上，以厚
膜印刷方式將電容及電感等元件共同燒結成一多層晶片型濾波器。晶片型LC濾波器具有小型、輕量、低厚度的特色，也適
合大量生產，價格下降有空間。目前用於手機等產品的帶通濾波器上及次世代CDMA手機的第二IF濾波器。

由於製程技術精進，以及聲波物理性質等因素，SAW Filters的產品擁有下列發展特點，分述如下：
(1) 以簡單的叉指狀電極及單一基板即可執行原先傳統上以上百個電容、電感組成之濾波器的功能。
(2) 可以用半導體製程技術大量製造，而有價格上的競爭力。
(3) 因為是以半導體製程製造，在性能上產品有非常高的重複性，這在行動電話用的RF及IF濾波器以及窄頻、
高Q值共振器尤其重要。
(4) 由於聲波波速為電磁波的十萬分之一，因此這類元件在行動通訊對於小型化、質輕、堅固及功率要求上非
常符合。
(5) 傳統表面聲波濾波器除了工作在基本波之外，也可以工作在諧波頻段，進而提高其工作頻率而避免對於製
程設備及技術的投資。
(6) Pseudo-SAW （偽表面聲波）的聲速為一般表面聲波的1.6 倍左右，因此可以在製程方面放寬線寬及線疏的
限制使得在同樣製程條件下，將元件工作頻率提高至GHz以上。
(7) Pseudo-SAW 的機電耦合係數與傳統的SAW比較而言，大了許多，因此可以設計出大頻寬的濾波器，適合
射頻前級端使用。
(8) 由於LSAW （leaky-SAW）的能量是在基板表面以下傳播（相較於表面聲波是在表面以下一個波長內傳遞，
LSAW則更深入基板內部），因此相對於Rayleigh-SAW較不易受表面污染而影響性能。
(9) 同上，以功率密度而言，比Rayleigh-SAW小，因此可以承受較高的功率而不致使IDT損壞

CDMA/PCS 雙頻行動電話射頻及中頻線路示意圖
PCS /cellular 雙頻行動電話射頻及中頻線路之示意圖。其中包含了Diplexer、Duplexer、1st RF SAW filter、2nd
RF SAW filter、IF filter，以及Tx interstage filter等部份，每個環節都有不同的應用
1.Diplexer:
基本上是由一高通及低通濾波器組成，用來將接收到的
PCS (Rx: 1930.05 ~ 1989.99 MHz，Tx: 1850.01 ~ 1909.99
MHz) 訊號及CDMA (869.04 ~ 893.97 MHz，Tx: 824.04 ~
848.97 MHz)分開，分別送至PCS 及 Cellular 路徑。
2.Duplexer:
Cellular頻段中雙工器（Duplexer）的功能包括：當發射
機雜訊頻率位於接收頻段時，防止降低全雙重模擬工作
模式下接收機的靈敏度；衰減功率放大器（PA）的輸出
信號以避免低雜訊放大器（LNA）進入增益壓縮工作模
式；衰減接收機的寄生響應（第一鏡頻和其它寄生響
應）；用第一混頻器LO-RF埠來衰減第一級本振（LO）
的饋通；衰減發射機輸出諧波和其它寄生信號。

Ladder Type SAW Filter示意圖
（GSM/PCS為TDMA，利用不同的時槽分別收發訊號，因此以T/R Switch替代Duplexer）。
一般以Leaky-SAW模式的低損耗Ladder-type來設計。新的設計利用微機電（MEMS）製程，
以薄膜及體聲波之共振器結構組合及產生濾波器的特性，即目前發展的FBAR （film bulk
acoustic resonator）（嚴格來說，FBAR並非利用表面聲波原理，故不屬於SAW 元件。）。

3.1st RF SAW filter:
1st RF SAW filter指接收高頻信號，初步過濾所需之頻寬。一般要求低損耗
（增加系統之靈敏度（sensitivity））、較大之頻寬選擇性（以避免低雜訊放大
器過度負載（overloading）產生）、及約120 dB 之動態範圍（dynamic range）。
4.2nd RF SAW filter:
2nd RF SAW filter主要功用為抑制雜訊，主要在防止諧波（Harmonics）、鏡
像頻率雜訊（image-frequency noise）及來自C級放大器雜訊所產生之雜訊。一
般可用Leaky-SAW模式的Ladder-type共振器濾波器來設計。但目前也有些
mixer整合image reject功能在內，來解決影像訊號干擾的問題。
5.IF filter:
用來選擇頻道，排拒相鄰其它使用者的頻道，因頻寬更窄，可過濾使用者所需
的訊號。由於頻道間隔只有30 kHz ，因此中頻濾波器必需具有高選擇性及溫
度穩定性。帶外衰減特性陡峭、通帶內振幅和相位呈線性特性是SAW濾波器
非常重要的特性，該濾波器決定第二鏡頻抑制，其帶外衰減特性是影響備用訊
號通道抑制和接收機整體互調性能的主要因素。一般可以利用在ST-X 切割角
度之石英晶體基板上設計four-pole waveguide-coupled resonator-filter 來達成。
6.Tx interstage filter:
用來過濾升頻所產生之image 訊號，在發射端RF SAW filter是讓低於某一頻率
的訊號過去，由於訊號經過功率放大器（PA）後會產生諧波（harmonics），
若以PCS 1.9 GHz訊號為例，也就是除了原有1.9 GHz外，還會產生3.8 GHz、
5.7 GHz等倍頻的訊號，經由RF SAW filter，保留1.9 GHz的頻率，將其餘不需
要的倍頻濾掉，稱為低通濾波器LPF （Low Pass Filter）。
由於要求過濾訊號不如接收端來得嚴謹，有些手機廠商就使用LC filter來替代，
而且目前有些晶片組廠商如TI、Hitachi的解決方案中也已省略掉發射端的RF
SAW filter。一般可利用Leaky-SAW模式Ladder-type共振器濾波器來設計。

零中頻（Zero-IF）則是將RF訊號直接轉換為基頻訊號，或是由基頻訊號直接轉為RF訊號，省略掉IF部份，因此不再需
要image-reject filter、IF SAW filter，及其他附加的電路，以減少零組件的使用。實用的直接轉換技術要認真解決時變的
直流偏置（DC offset）、LO信號藉由天線洩露、增益/相位不匹配和下行正交混頻器中二次非線性失真等問題，並確保
在TDMA動態範圍內系統能正常工作。
無線區域網路（Wireless LAN）之線路方塊圖。如同行動電話接收系統一樣，分別有傳統超外差接收系統及直接轉換接
收系統，其中IF SAW filter所需頻寬較行動電話用的IF SAW filter為寬（調變技術及頻道間隔不同），約在17 ~ 20 MHz
之間。RF SAW filter一般則使用陶瓷濾波器以降低成本。隨著直接轉換技術的成熟及廣泛使用，SAW filter在無線區域
網路的使用將逐漸減少，不過Intersil 在IEEE 802.11a仍有超外差接收系統的設計。
Wireless LAN之線路方塊圖
採用零中頻架構之參考設計

Bluetooth技術
(圖七)為應用在Bluetooth 之ISM 2.45 GHz 無線系統之線路方塊圖。其中IF SAW filter （中心頻
率為110.592）所需頻寬約為1MHz。由此方塊圖我們可以看到中頻濾波器亦可由LC 濾波器替代
以降低成本。但以整體性能來看，有IF SAW filter之解決方案較佳。(表二)為各系統規格之一覽
表。
ISM 2.45 GHz 無線系統之線路方塊圖

Front-End Module與LTCC 技術
隨著手機性能要求趨向輕、薄、短、小，內部零組件亦趨向小型化及模組化。(圖八)所示為SAW Filter
模組之第一步：增加balun （balance-unbalance）功能。再進一步則將Diplexer、T/R switch、及SAW
Filter以LTCC為基板封裝在一起，如Samsung （FEM8450T_SM2） (圖九)、Conexant提出的解決方案。
目前PA Module將Coupler 等週邊線路/元件內藏於LTCC基板內為發展重點。基於上述之基礎，將PA
Module及SAW Filter 整合的LTCC模組將更趨於普及。(表三)所示為手機用之嵌入式功能LTCC模組一覽
表。
SAW Filter 模組

To Be Continued …
http://www.edn.com/design/wireless-networking/4413442/SAW--BAW-and-the-future-of-wireless
http://www.yuden.co.jp/productdata/navigator/en/004/E-SP2_101013.pdf

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