Qu’est-ce qu’un filtre à ondes de surface ?
Un filtre à ondes de surface est un filtre capable d’extraire de manière sélective des signaux électriques d’une fréquence spécifique.
Il s’agit d’un acronyme pour “Surface Acoustic Wave Filter”, c’est-à-dire filtre à ondes acoustiques de surface. En filtrant les vibrations mécaniques à l’aide d’ondes de surface se propageant à travers des éléments piézoélectriques, il est possible de créer des caractéristiques abruptes dépendant de la fréquence et de laisser passer ou de bloquer des composantes de fréquence spécifiques. Les ondes de surface sont des ondes qui se déplacent à la surface d’un milieu et se caractérisent par une atténuation rapide de l’amplitude de la surface vers l’intérieur.
Lorsqu’un signal électrique est envoyé à un filtre ondes de surface, il est converti en vibrations mécaniques par un élément piézoélectrique, qui ne sélectionne que des fréquences spécifiques et les restitue sous forme de signaux électriques.
Utilisations des filtres à ondes de surface
En raison de leur faible perte et de leurs excellentes caractéristiques de coupure, les filtres à ondes de surface sont très souvent utilisés dans des applications telles que les duplexeurs, qui sont des filtres permettant de commuter entre la transmission (Tx) et la réception (Rx) dans les appareils de communication sans fil tels que les smartphones et autres terminaux mobiles, les tuners TV et les réseaux locaux sans fil.
Les filtres à ondes de surface sont utilisés pour réduire le bruit dans les bandes de fréquences non désirées en utilisant leurs caractéristiques de résonance abruptes, ce qui contribue à améliorer la qualité du son lors des conversations sur les téléphones portables, etc. Ils sont indispensables pour accroître la fonctionnalité des terminaux mobiles en raison de leur faible coût et de la facilité avec laquelle ils peuvent être miniaturisés et rendus plus minces.
Le nombre de bandes de fréquences de communication utilisées dans les terminaux mobiles augmente d’année en année, et le tamisage des bandes de fréquences (Bands) à l’aide de filtres SAW est un élément central de la technologie des communications sans fil.
Principe des filtres à ondes de surface
Les filtres ondes de surface ont des caractéristiques de filtrage électrique qui filtrent et atténuent fortement les signaux autres que les composantes de fréquence requises en utilisant certains modes de vibration des ondes acoustiques de surface comme résonateurs dans des électrodes en forme de peigne formées sur un substrat piézoélectrique tel que le tantalate de lithium.
Le filtre ondes de surface actuel a une structure avec des électrodes disposées en forme de peigne sur un substrat piézoélectrique. Il comporte des électrodes de commande et lorsqu’une tension est générée par un signal électrique haute fréquence, des vibrations sont générées en fonction de l’espacement entre les électrodes disposées en forme de peigne.
Ces vibrations sont amplifiées en raison de la résonance provoquée par les multiples électrodes en forme de peigne. Les vibrations se transforment alors en ondes de surface, qui se propagent finalement jusqu’aux électrodes pour être détectées. La vibration mécanique est ensuite reconvertie en signal électrique, ce qui donne un dispositif doté d’une fonction de filtrage.
Les caractéristiques du filtre, qui décrivent, par exemple, la quantité de fréquence transmise, dépendent des propriétés physiques du matériau piézoélectrique et de la structure de l’électrode. Comme la vitesse de propagation des ondes de surface varie d’un matériau à l’autre, les performances du filtre sont largement déterminées par le type de matériau piézoélectrique utilisé.
Autres informations sur les filtres à ondes de surface
1. Le marché des filtres à ondes de surface
Pour faire face à l’augmentation constante de la capacité de transmission des smartphones d’aujourd’hui, diverses méthodes visant à accroître la largeur de bande de modulation, ainsi que l’agrégation de porteuses (CA) et le MIMO (multibande), sont de plus en plus utilisées. Dans les systèmes de modulation FDD, tels que la 4G (LTE) et la 5G, l’émission et la réception sont effectuées simultanément, contrairement aux systèmes TDD avec multiplexage temporel.
Par conséquent, le nombre de filtres, indispensables pour l’assignation des fréquences Tx (transmission) et Rx (réception), ne cesse d’augmenter. En particulier pour les modèles haut de gamme, il existe une forte demande de miniaturisation par le biais de la modularisation, car les terminaux doivent être disponibles dans toutes les régions du monde.
Le marché des filtres ondes de surface continue de croître. Un seul module de communication est équipé de filtres pour plusieurs bandes, qui à leur tour sont équipés de plusieurs autres modules pour chaque catégorie de fréquence. Les modèles bas de gamme sont souvent équipés de produits discrets dans le combiné au lieu d’être modulaires, mais même dans ce cas, la vague d’expansion des fréquences se poursuit, avec un volume et des ventes en hausse.
Il existe un grand nombre de fabricants de filtres à ondes de surface, les fabricants japonais de composants électroniques étant les plus présents.
2. Différences par rapport aux filtres BAW
Les filtres à ondes de surface sont des éléments filtrants qui utilisent les ondes acoustiques de surface sur un substrat piézoélectrique, alors que les filtres BAW ont un principe différent. Les filtres à ondes acoustiques de surface (FBAR) sont des filtres à ondes acoustiques de surface (SMR).
Dans la configuration FBAR, le film piézoélectrique vibre librement en créant une cavité au fond du résonateur. Un autre type, le SMR, consiste en une multicouche acoustique sous le résonateur, qui réfléchit les ondes élastiques.
Les filtres à ondes de surface sont largement utilisés dans la bande de fréquences allant de 600 MHz à environ 2 GHz, principalement dans ce que l’on appelle la bande basse, car ils sont très économiques. Les filtres Ondes de Surface, en revanche, ont tendance à être plus complexes et plus coûteux, mais ils présentent l’avantage d’avoir un Q plus élevé et des caractéristiques de filtrage plus raides que les filtres SAW. Ils sont principalement utilisés dans certaines bandes de 1 800 MHz pour les États-Unis et dans la bande de fréquences supérieure à 2 GHz.
Les filtres SAW comprennent également des filtres à ondes de surface avec compensation contrôlée des caractéristiques de température, qui sont utilisés dans des applications où la gestion des fréquences à température contrôlée est requise en plus d’un faible coût.
3. Les filtres à ondes de surface et la 5G
Sur le marché de la 5G, la bande 3-6 GHz, telle que UHB (Ultra High Band) et Sub6 GHz, est souvent prise en charge, et les filtres BAW sont importants sur ce marché, car ils nécessitent des caractéristiques de filtrage plus raides et à valeur Q plus élevée pour coexister avec le WiFi et pour compenser les pertes accrues à des fréquences plus élevées. Le filtre BAW est un élément clé de ce marché. Les fabricants américains en particulier, (comme Broadcom et Qorvo) gagnent des parts de marché dans les filtres BAW.