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

 前言

近年來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。

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)制造商來說，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)部的元器件無法避免的問題。

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)行簡單說明。圖1是典型的RF電路圖。在收信時(shí)通過Antenna (Ant)來接收信號(hào)的頻率通過Switch (SW)切換成適當(dāng)?shù)腟AW雙工器，再通過SAW雙工器過濾成必要的頻率，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Power Amplifier (PA)增幅后，再通過SAW雙工器過濾成必要的頻率，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過的對(duì)應(yīng)RF電路中溫度上升問題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，近年來市場中的Bulk Acoustic Wave (BAW)技術(shù)通過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。一般來說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)開始量產(chǎn)并且不久后將向市場供應(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的歷史由來已久，從2004年的Band2產(chǎn)品化開始，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，預(yù)計(jì)還將擴(kuò)大面向模塊的產(chǎn)品陣容。