Was ist ein Akustischer-Oberflächenwellen-Filter?
Ein Akustischer-Oberflächenwellen-Filter, auch AOW-Filter (SAW-Filter) genannt, ist ein Filter, der selektiv elektrische Signale mit einer bestimmten Frequenz herausfiltern kann.
SAW ist ein Akronym für „Surface Acoustic Wave Filter“, was so viel bedeutet wie akustischer Oberflächenwellenfilter. Durch die Filterung mechanischer Schwingungen mit Hilfe von Oberflächenwellen, die sich durch piezoelektrische Elemente ausbreiten, können steile frequenzabhängige Charakteristiken erzeugt und bestimmte Frequenzkomponenten durchgelassen oder blockiert werden. Oberflächenwellen sind Wellen, die sich über die Oberfläche eines Mediums ausbreiten und sich durch eine schnelle Abschwächung der Amplitude von der Oberfläche zum Inneren auszeichnen.
Wird ein elektrisches Signal in einen Akustischen-Oberflächenwellen-Filter eingespeist, wird es durch ein piezoelektrisches Element in mechanische Schwingungen umgewandelt, die nur bestimmte Frequenzen selektieren und wieder als elektrische Signale ausgeben.
Anwendungen für Akustische-Oberflächenwellen-Filter
Aufgrund ihrer geringen Verluste und ihrer ausgezeichneten Grenzwerteigenschaften werden Akustische-Oberflächenwellen-Filter sehr häufig in Anwendungen wie Duplexern eingesetzt, d. h. in Filtern zum Umschalten zwischen Senden (Tx) und Empfangen (Rx) in drahtlosen Kommunikationsgeräten wie Smartphones und anderen mobilen Endgeräten, TV-Tunern und Wireless LANs.
Akustische-Oberflächenwellen-Filter werden eingesetzt, um das Rauschen in unerwünschten Frequenzbändern zu reduzieren, indem ihre steilen Resonanzeigenschaften genutzt werden, was zu einer verbesserten Tonqualität bei Gesprächen mit Mobiltelefonen usw. beiträgt. Akustische-Oberflächenwellen-Filter sind aufgrund ihrer geringen Kosten und der Tatsache, dass sie leicht miniaturisiert und dünner gemacht werden können, für die erhöhte Funktionalität mobiler Endgeräte unverzichtbar.
Die Anzahl der in mobilen Endgeräten pro Endgerät verwendeten Kommunikationsfrequenzbänder nimmt von Jahr zu Jahr zu, und das Sieben von Frequenzbändern (Bands) mit Hilfe von Akustischen-Oberflächenwellen-Filtern ist ein Kernelement der drahtlosen Kommunikationstechnologie.
Funktionsweise von Akustischen-Oberflächenwellen-Filtern
Akustische-Oberflächenwellen-Filter haben elektrische Filtereigenschaften, die Signale außerhalb der erforderlichen Frequenzkomponenten steil filtern und dämpfen, indem sie bestimmte Schwingungsmoden von akustischen Oberflächenwellen als Resonatoren in kammförmigen Elektroden nutzen, die auf einem piezoelektrischen Substrat wie Lithiumtantalat gebildet werden.
Der eigentliche Akustische-Oberflächenwellen-Filter hat eine Struktur mit kammförmig angeordneten Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat. Dieses verfügt über Ansteuerelektroden und wenn durch ein elektrisches Hochfrequenz-Eingangssignal eine Spannung erzeugt wird, werden entsprechend dem Abstand zwischen den kammförmig angeordneten Elektroden Schwingungen erzeugt.
Diese Schwingungen werden aufgrund der Resonanz, die durch die vielen kammförmigen Elektroden verursacht wird, verstärkt. Die Schwingungen werden dann zu Oberflächenwellen, die sich schließlich zu den Elektroden ausbreiten und dort erfasst werden. Die mechanische Schwingung wird dann wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, so dass ein Gerät mit einer Filterfunktion entsteht.
Die Filtereigenschaften, die z. B. beschreiben, wie viel Frequenz übertragen wird, hängen von den physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials und der Elektrodenstruktur ab. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Oberflächenwellen von Material zu Material unterschiedlich ist, wird die Leistung des Filters weitgehend durch die Art des verwendeten piezoelektrischen Materials bestimmt.
Weitere Informationen zu Akustischen-Oberflächenwellen-Filter
1. Markt für Akustische-Oberflächenwellen-Filter
Um die ständig steigende Übertragungskapazität der heutigen Smartphones zu bewältigen, werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Modulationsbandbreite sowie CA (Carrier Aggregation) und MIMO (Multiband) immer wichtiger. Bei FDD-Modulationsverfahren wie z. B. 4G (LTE) und 5G werden im Gegensatz zu TDD-Verfahren mit Zeitmultiplexing Übertragung und Empfang gleichzeitig durchgeführt.
Daher nimmt die Anzahl der Filter, die für die Tx- (Sende-) und Rx- (Empfangs-) Frequenzzuweisung unverzichtbar sind, weiter zu. Insbesondere bei High-End-Modellen besteht eine starke Nachfrage nach Miniaturisierung durch Modularisierung, da die Endgeräte in allen Regionen der Welt verfügbar sein müssen.
Der Markt für Akustische-Oberflächenwellen-Filter wächst weiter, da ein einziges Kommunikationsmodul mit Filtern für mehrere Bänder ausgestattet ist, die wiederum mit mehreren weiteren Modulen für jede Frequenzkategorie ausgestattet sind. Bei den Modellen der unteren Preisklasse werden häufig diskrete Produkte in den Handapparat eingebaut, anstatt sie zu modularisieren, aber auch hier setzt sich die Welle der Frequenzerweiterung fort, wobei sowohl das Volumen als auch der Umsatz steigen.
Die Zahl der Hersteller von Akustischen-Oberflächenwellen-Filtern ist groß, wobei die japanischen Hersteller von elektronischen Bauteilen eine wichtige Rolle spielen.
2. Unterschiede zu BAW-Filtern
AOW-Filter sind Filterelemente, die akustische Oberflächenwellen auf einem piezoelektrischen Substrat nutzen, während BAW-Filter ein anderes Prinzip haben: BAW-Filter haben Strukturen, die als FBAR-Typ (Film Bulk Acoustic Resonator) oder SMR-Typ (Solid Mounted Resonator) bezeichnet werden.
Bei der FBAR-Konfiguration sorgt ein Hohlraum im Boden des Resonators dafür, dass die piezoelektrische Schicht frei schwingen kann. Ein anderer Typ, der SMR, besteht aus einer akustischen Mehrschicht unterhalb des Resonators, die die elastischen Wellen reflektiert.
Akustische-Oberflächenwellen-Filter sind im Frequenzbereich von 600 MHz bis etwa 2 GHz weit verbreitet, vor allem im so genannten Low Band, da sie sehr kostengünstig sind. Akustische-Oberflächenwellen-Filter hingegen sind in der Regel komplexer und teurer, haben aber den Vorteil einer höheren Güte und steileren Filtercharakteristik als Akustische-Oberflächenwellen-Filter und werden hauptsächlich in den USA in einigen 1800-MHz-Bändern und im höheren Frequenzbereich über 2 GHz eingesetzt.
Zu den Akustischen-Oberflächenwellen-Filtern gehören auch TC-AOW-Filter mit kontrollierter Kompensation der Temperatureigenschaften, die in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen neben niedrigen Kosten auch ein temperaturgesteuertes Frequenzmanagement erforderlich ist.
3. Akustische-Oberflächenwellen-Filter und 5G
Auf dem 5G-Markt wird häufig das 3-6-GHz-Band unterstützt, z. B. UHB (Ultra High Band) und Sub6 GHz und BAW-Filter sind auf diesem Markt von großer Bedeutung, da sie steilere Filtercharakteristiken mit höherem Q-Wert erfordern, um mit WiFi zu koexistieren und die erhöhten Verluste bei höheren Frequenzen zu kompensieren Der BAW-Filter ist eine Schlüsselkomponente dieses Marktes. Insbesondere US-Hersteller (Broadcom und Qorvo) gewinnen Marktanteile bei BAW-Filtern.