面向手機(jī)的溫度補(bǔ)償型SAW雙工器的開(kāi)發(fā)動(dòng)向

前言

近年來(lái)伴隨著搭載高性能處理器的智能手機(jī)/平板電腦等多功能終端的普及，無(wú)線通信領(lǐng)域的信息量暴增成了重大課題。針對(duì)這一課題，通信業(yè)界采用了第二代通信規(guī)格的Long  Term Evolution (LTE)的方法來(lái)對(duì)應(yīng)，這種頻率的頻帶運(yùn)用方法至今尚未在移動(dòng)設(shè)備中使用過(guò)。

此外，為了對(duì)應(yīng)新頻率Radio Frequency (RF)電路中的元器件個(gè)數(shù)也相應(yīng)增加。原來(lái)的Global System for Mobile  Communication (GSM) /Universal Mobile Telecommunications System  (UMTS)對(duì)應(yīng)終端的規(guī)格是GSM中搭載4個(gè)，UMTS中搭載2-4個(gè)頻帶的情況居多，而LTE對(duì)應(yīng)終端中則多搭載了1-2個(gè)頻帶。對(duì)于手機(jī)制造商來(lái)說(shuō)，像移動(dòng)設(shè)備這種有限的空間中為了能夠搭載更多的元器件，就必須通過(guò)將電子元器件模塊化和高密度化之后進(jìn)行元器件安裝，那么電路板產(chǎn)生的發(fā)熱惡化以及與發(fā)熱元件相鄰的原因而導(dǎo)致溫度上升是設(shè)備內(nèi)部的元器件無(wú)法避免的問(wèn)題。

本章將介紹村田制作所研究出的解決移動(dòng)設(shè)備溫度上升問(wèn)題的對(duì)策，這就是具備減少溫度變化時(shí)頻移量這一特征的Temperature  Compensated-Surface Acoustic Wave (TC-SAW)。

SAW雙工器的運(yùn)作以及課題

過(guò)濾頻率用的Surface Acoustic Wave  (SAW)雙工器具有小型化和選擇性廣的特點(diǎn)，是為手機(jī)的小型化、多功能化和多樣化做出貢獻(xiàn)的電子元器件之一。

首先，我們將針對(duì)SAW雙工器在RF電路中實(shí)際運(yùn)用時(shí)究竟是如何工作的進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。圖1是典型的RF電路圖。在收信時(shí)通過(guò)Antenna  (Ant)來(lái)接收信號(hào)的頻率通過(guò)Switch  (SW)切換成適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/SAW雙工器">SAW雙工器，再通過(guò)SAW雙工器過(guò)濾成必要的頻率，再傳送到Transceiver-Integrated Circuit  (Transceiver-IC)。而送信時(shí)從Transceiver-IC產(chǎn)生的高頻信號(hào)通過(guò)Power Amplifier  (PA)增幅后，再通過(guò)SAW雙工器過(guò)濾成必要的頻率，從Ant向基站發(fā)送信號(hào)。此外，SAW雙工器還能防止送信時(shí)從送信電路向接收電路產(chǎn)生的送信信號(hào)的回旋。

SAW雙工器在送信時(shí)通過(guò)PA產(chǎn)生增幅的信號(hào)功率有必要更有效率地向Ant傳輸，而這時(shí)因?yàn)镾AW雙工器的關(guān)系會(huì)導(dǎo)致信號(hào)功率發(fā)生損耗。損耗的信號(hào)功率會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能而使SAW雙工器自身發(fā)熱。此外，隨著對(duì)應(yīng)頻帶數(shù)量的增加，又由于模塊化和高密度實(shí)裝的關(guān)系促使對(duì)像PA這種發(fā)熱元器件的影響增大。因此，SAW雙工器考慮到了移動(dòng)設(shè)備所使用的RF電路中的溫度變化，它已經(jīng)將一定的溫度變化范圍計(jì)算在內(nèi)了。此時(shí)必須考慮的問(wèn)題是SAW雙工器的溫度變化會(huì)導(dǎo)致頻率發(fā)生變化。這種頻率變化是之前說(shuō)過(guò)的對(duì)應(yīng)RF電路中溫度上升問(wèn)題SAW雙工器不得不考慮的課題。

TC-SAW、STD-SAW以及BAW的頻率溫度依賴性的比較

針對(duì)這個(gè)課題所提出的解決方案有望近年成為降低頻率溫度依賴性的技術(shù)。村田制作所采用特有的技術(shù)研發(fā)出了降低頻率溫度依賴性的產(chǎn)品TC-SAW，除此之外還有Standard  (STD) –SAW。

此外，近年來(lái)市場(chǎng)中的Bulk Acoustic Wave  (BAW)技術(shù)通過(guò)良好的頻率選擇性和高頻對(duì)應(yīng)使其成為存在感劇增的技術(shù)，下面將把各種頻率溫度依賴性作比較。

圖2中是村田制作所正在產(chǎn)品化的TC-SAW、STD-SAW和一般的BAW的頻率溫度依賴性的實(shí)例。圖2所示的ppm/deg.C表示的是當(dāng)溫度變化時(shí)頻率變化的比率。該值可以顯示出溫度變化細(xì)微的情況下依賴性極小。村田制作所的TC-SAW和STD-SAW相比較的話STD-SAW的值僅僅是-38ppm/deg.C而TC-SAW的值大約在-10ppm/deg.C，幾乎減低了STD-SAW的1/4的變化量。和BAW比較的話，BAW的頻率溫度依賴性約為-33ppm/deg.C，  TC-SAW幾乎減低了1/3的變化量。根據(jù)這個(gè)結(jié)論可以得出TC-SAW具有優(yōu)化頻率溫度依賴性的特征。

TC-SAW的構(gòu)造

圖3是村田制作所STD-SAW以及TC-SAW構(gòu)造的示意圖。SAW雙工器的頻率溫度依賴性是由于使用了壓電電路板造成的。此外，STD-SAW、TC-SAW都是因?yàn)槭褂玫膲弘婋娐钒寰哂蓄l率溫度依賴性的相同特點(diǎn)。如圖3所示，TC-SAW最具代表性的特征之一是整塊電路板跟STD-SAW相比它的表面覆蓋了一層很厚的二氧化硅(SiO2)。壓電電路板的溫度上升的話頻率就會(huì)降低，那么頻率溫度系數(shù)就會(huì)變成負(fù)值。另外，SiO2具備正頻率溫度系數(shù)的特點(diǎn)。因此，和STD-SAW相比的話由于覆蓋了一層厚SiO2的獨(dú)特構(gòu)造，SiO2的正頻率溫度系數(shù)的影響會(huì)變大，那么SAW雙工器與STD-SAW相比就實(shí)現(xiàn)了抑制頻率溫度依賴性的特點(diǎn)。STD-SAW的保護(hù)膜SiO2具有強(qiáng)大的特質(zhì)，如果覆蓋了像TC-SAW一樣厚的SiO2的話就不能保證帶寬，同時(shí)也不能獲得優(yōu)良的特性。因此，TC-SAW將電路板的材料從LiTaO3變成了LiNbaO3，才能夠確保必要的帶寬。此外，TC-SAW的LiNbaO3的切割角發(fā)生了變化使得頻率選擇性變得可控制，村田制作所運(yùn)用了對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的必要特性設(shè)計(jì)了符合市場(chǎng)需求的最佳切割角。

村田制作所的TC-SAW產(chǎn)品陣容

雙工器的設(shè)計(jì)根據(jù)Third Generation Partnership Project  (3GPP)的規(guī)格根據(jù)頻帶的送信和收信帶寬以及送信端和收信端的頻率間隔(Separation  ratio)決定了其難易度。一般來(lái)說(shuō)頻率的帶寬越廣那么送信端和收信端的頻率間隔越小難易度就越高?？偨Y(jié)兩者的關(guān)系來(lái)看，如圖4。村田制作所正致力于圖4中圈出的部分，計(jì)劃優(yōu)先實(shí)現(xiàn)TC-SAW對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品。

目前為止介紹的TC-SAW相關(guān)的產(chǎn)品實(shí)際上是目前主流的2.0×1.6mm (2016)尺寸的產(chǎn)品陣容以及今后將要成為主流的1.8×1.4mm  (1814)尺寸的產(chǎn)品陣容，如表1所示。這些產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)并且不久后將向市場(chǎng)供應(yīng)，由于已經(jīng)得到了顧客的良好反饋，預(yù)計(jì)今后還將根據(jù)市場(chǎng)需求進(jìn)行擴(kuò)大。

今后的展望

村田制作所的TC-SAW的歷史由來(lái)已久，從2004年的Band2產(chǎn)品化開(kāi)始，就已經(jīng)將很多項(xiàng)目產(chǎn)品化。同時(shí)隨著構(gòu)造的變化以及應(yīng)用的改善不斷滿足市場(chǎng)對(duì)于小型化和高性能化的需求。今后隨著RF電路的高密度化趨勢(shì)對(duì)TC-SAW的期望將會(huì)更高。在此之間，村田制作所還將繼續(xù)擴(kuò)充運(yùn)用了此次介紹的技術(shù)的產(chǎn)品陣容并且繼續(xù)開(kāi)發(fā)全新的、改進(jìn)的TC-SAW產(chǎn)品。另外，為了對(duì)應(yīng)RF電路的模塊化趨勢(shì)，預(yù)計(jì)還將擴(kuò)大面向模塊的產(chǎn)品陣容。