【正文】 SAW 濾波器畢業(yè)論文 1 SAW 濾波器畢業(yè)論文 題 目 : 基于 Matlab 的 SAW 濾波器的設(shè)計及實現(xiàn) 院 系： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 SAW 濾波器畢業(yè)論文 2 目 錄 1 引言 ............................................................... 3 研究背景及意義 ................................................ 3 研究現(xiàn)狀 ...................................................... 5 本文的主要內(nèi)容 ................................................ 5 2. 聲表面波及聲表面波濾 波器 .......................................... 6 聲表面波（ SAW）基本理論 ....................................... 6 聲波方程 ................................................. 6 聲表面波（ Acoustic Wave） .................... 7 各向異性彈性固體中的 SAW ................................ 10 聲表面波濾波器（ SAWF）的基本原理及特性 ....................... 12 聲表面波叉 指換能器 ...................................... 12 聲表面波濾波器（ SAWF） .................................. 14 3. SAW 濾波器的數(shù)字設(shè)計與利用 Matlab 軟件的實現(xiàn) ...................... 18 濾波 器的基本概念 ............................................. 18 濾波器的濾波原理 ........................................ 18 濾波器設(shè)計中的基本概念 .................................. 19 FIR 設(shè)計的最佳一致逼近理論 .................................... 20 切比雪夫最佳一致逼近的基本思想 .......................... 20 利用切比雪逼近理論設(shè)計 FIR濾波器 ........................ 21 采用 Remez 交換算法 求解交錯頻率點組 ...................... 24 SAW 濾波器的實現(xiàn)與仿真結(jié)果分析 ................................ 26 采用 Chebyshev 逼近理論設(shè)計 SAW濾波器 .................... 26 算法實現(xiàn) ................................................ 27 仿真結(jié)果分析 ............................................ 30 結(jié) 論 ............................................................. 33 致 謝 ............................................................. 34 參考文獻 ............................................................. 35 附錄 A 代碼全文 ..................................................... 36 SAW 濾波器畢業(yè)論文 3 摘 要 聲表面波（ SAW）器件是一種新型的模擬信號處理器件。它在 無線電頻率 RF信號處理、移動通信、無線尋呼、有線電視網(wǎng) (CATV)等領(lǐng)域中已取得了成功的應(yīng)用。 為了設(shè)計出 SAW 濾波器 并在 Matlab 軟件平臺上實現(xiàn)，得到仿真圖形，本文首先用了一定的篇幅來研究聲 SAW 理論和濾波器設(shè)計，其中 SAW 理論只是為以后的研究提供理論依據(jù)，并不作為重點；重點是 SAW濾波器的設(shè)計，包括 叉指換能器 (IDT)的研究和 SAW濾波器 的結(jié)構(gòu)及工作原理 。雖然 SAW濾波器是模擬的信號處理器件，但是可以借鑒 FIR數(shù)字濾波器的切比雪夫最佳一致逼近理論和 Remez交換算法來設(shè)計 SAW 濾波器，所以本文著重研究了切比雪夫最佳一致逼近理論和 Remez 交換算法的實現(xiàn)。 SAW 濾波器可以實現(xiàn)任意精度的幅頻特性和相頻特性的濾波，這是其 它濾波器所難以實現(xiàn)的，所以它在電子信息領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。因此研究和分析 SAW濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)具有十分積極的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞 ： 聲表面波 SAW 濾波器 叉指換能器 切比雪夫最佳一致逼近 Remez 交換算法 1. 引言 研究背景及意義 聲表面波 （ Acoustic Wave） 就是在壓電基片材料表面上產(chǎn)生并傳播、且其振幅隨著深入基片材料的深度增加而迅速減少的一種彈性波。 1855 年，英國物理學(xué)家瑞利 （ Railey） 根據(jù)對地震波的研究，從理論上闡明了 在彈性固體內(nèi)除存在縱波和剪切波外，還可能存在一種波，這種彈性波沿半無限固體表面?zhèn)鞑?，稱為瑞利波或聲表面波。 聲表面波器件是一種新型的模擬信號處理器件，由于信號處理理論的發(fā)展，需要高速高性能的處理器件，同時半導(dǎo)體平面工藝的不斷改進，也促使了 SAW 器件的工作頻率從 10MHz 延伸到了 3GHz 的范圍。因此 SAW 器件在 無線電頻率 RF 信號處理中得到了越來越廣泛的重視，其中尤指聲表面波濾波器 （ SAW 濾波器畢業(yè)論文 4 Acoustic Wave Filter） 在移動通信、無線尋呼、 CATV（ Community Antenna Television）有線電視網(wǎng)等中已取得了成功的應(yīng)用。 SAW 濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個聲電換能器 ——叉指換能器 （ Digital Transducer） 。它采用半導(dǎo)體集成電路的平面工藝，在壓電基片表面上蒸鍍一定厚度的鋁膜，再把設(shè)計好的兩個 IDT 的掩膜圖案，利用光刻技術(shù)沉淀在基片表面上，分別用作輸入換能器和輸出換能器。其工作原理是：輸入換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，沿壓電晶體表面?zhèn)鞑?，輸出換能器再將接收的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 SAW 濾波器的主要特點 是：設(shè)計靈活性大、模擬 /數(shù)字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇性優(yōu)良 （ 可選頻率范圍 10MHz..3GHz ） 、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾 （ Magic Interference） 性能好、可靠性高、制作的器件體小量輕 （ 其體積、重量分別是陶瓷介質(zhì)濾波器的 1/40 和 1/30 左右 ） ，而且還能實現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。 SAW 濾波器的特點和優(yōu)點，正適應(yīng)了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備以及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠性等方面的要求。其不足之處是：所需基片材料價格昂貴，另外對基片 的定向、切割、研磨、拋光和制造工藝要求高。 SAW 濾波器在抑制電子信息設(shè)備高次諧波、鏡像信息、發(fā)射漏泄信號以及各類寄生雜波千擾等方面起到了良好的作用，可以實現(xiàn)所需任意精度的幅頻特性和相頻特性的濾波，這是其它濾波器所難以實現(xiàn)的。近年來國外已將 SAW 濾波器片式化，重量約 。另外由于采用了新的晶體材料和最新的精細加工技術(shù)，使得 SAW 器件的使用上限頻率提高到 —3 GHz，從而更加促進了 SAW 濾波器在抗 EMI 領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。 SAW 濾波器以極陡的過渡帶使 CATV的鄰頻傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)，與隔頻傳輸相比，頻 譜利用率提高了一倍。電視接收機如果不采用 SAW 濾波器，不可能工作的這么穩(wěn)定可靠。事實上，早期 SAW 濾波器的主要應(yīng)用領(lǐng)域既是以電視機為代表的視聽類家電產(chǎn)品，進入 80 年代之后，由于電子信息特別是通信產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，為 SAW濾波器提供了一個廣闊的市場空間，致使其產(chǎn)量和需求呈現(xiàn)直線上升的趨勢。目前，世界上 SAW 濾波器的年產(chǎn)量在 6 億只以上，其中移動通信用小型 RF（ Radio Frequency 射頻 , 無線電頻率） SAW 濾波器就達到 億只。 移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端必須經(jīng)過濾波器濾波后才能發(fā)揮作用，由于其SAW 濾波器畢業(yè)論文 5 工作 頻段一般在 、帶寬為 ，故要求濾波器具有低插損、高阻帶抑制和高鏡像衰減、承受功率大、低成本、小型化等特點。由于在工作頻段、體積和性能價格比等方面的優(yōu)勢， SAW 濾波器在移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用中獨占鰲頭，這是壓電陶瓷濾波器和單片晶體濾波器所望塵莫及的。 在無線尋呼系統(tǒng)中， BP 機接收到的 RF 信號需先濾波后再放大，濾波器的電氣特性直接影響到接收信號的靈敏度和精確度。早期生產(chǎn)的 BP 機一般采用 LC 濾波器，由于 LC 濾波器的調(diào)試復(fù)雜，選擇性和穩(wěn)定性又較差，因此現(xiàn)在已逐步被 SAW濾波器所取代。 隨著 Inter 的迅猛發(fā)展，全球上網(wǎng)的用戶越來越多，但目前通過電話上網(wǎng)的最大缺點是帶寬太窄 （ 幾十千赫 ） ，下載速度極慢，而 CATV 的網(wǎng)絡(luò)頻率資源豐富，不少商家因而均在開發(fā)基于 CATV網(wǎng)的寬帶多媒體數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)，通過 CATV 上網(wǎng)可使信息傳輸速度提高幾十倍以上，在這些系統(tǒng)中都要用到高性能的 SAW 濾波器來解決鄰頻抑制問題?？梢姡?SAW 濾波器的市場前景十分可觀。 研究現(xiàn)狀 在國外，失效機理的研究已從定性分析轉(zhuǎn)向定量建模和計算機模擬。在可靠性設(shè)計與預(yù)測技術(shù)方面，電路設(shè)計的可靠性最優(yōu)化分析與仿真，以及基于各種 失效機理模型的計算機輔助可靠性預(yù)測己逐步向應(yīng)用方面發(fā)展。 在我國，可靠性物理及應(yīng)用技術(shù)研究與國際相比差距較大，估計綜合差距約 年。就 SAW 器件而言，這方面的研究在國內(nèi)差距就更大。而 SAW 器件在軍事通信、電子偵察及民用電子信息領(lǐng)域中都占有一定的位置，通過針對 SAW 濾波器的可靠性物理及應(yīng)用技術(shù)的研究，有利于全面提高我國 SAW 器件的設(shè)計和制造水平以及提高 SAW 器件的可靠性。 本文的主要內(nèi)容 本論文首先介紹聲表面波理論 ，但是并不作為研究內(nèi)容，只是作為后面研究的理論基礎(chǔ)。接下來介紹 聲表面波濾 波器（ SAWF）的基本原理及特性 和 FIR 設(shè)計的最佳一致逼近理論。最后用 Matlab 編寫代碼，并得到仿真圖形。 SAW 濾波器畢業(yè)論文 6 2. 聲表面波及聲表面波濾波器 聲表面波（ SAW）基本理論 聲波方程 在各向同性無限大彈性固體中，根據(jù)固體的基本彈性性質(zhì)，建立在 X,Y,Z 直角坐標系上，描述固體中的媒質(zhì)質(zhì)點運動的運動方程為 : zzyyxxUZtUUYtUUXtU222222222)()()(??????????????????????????????????????? （ ） 式中， 2222222ZYXZUYUXU???????????????????? xU 、 yU 、 zU 分別表示固體中某質(zhì)點在 X、 Y、 Z 方向上的位移矢量， ? 與 ? 是拉密常數(shù) （ ? 也稱為切變彈性系數(shù) ） ， ? 為固體媒質(zhì)的密度。 引入標量勢函數(shù) ? 和矢量勢函數(shù) ? ，方程 （ ） 可表示為兩個獨立的方程 : ????? ?? 222 )2( ??? t （ ） ???? ?? 222 ?? t （ ） 對于勢函數(shù)還可以用其分量表示 : iit ?????? 222 ?? 其中 （ i=X、 Y、 Z） （ ） 由勢函數(shù)可以確定媒質(zhì)的質(zhì)點在各方向上的速度 SAW 濾波器畢業(yè)論文 7 ZYXtUV yzxx ????????? ?????? （ ） ZYXtUV zxyy ????????? ?????? （ ） ZYXtUV xyzz ????????? ?????? （ ） 從式（ ）可知，假定媒質(zhì)中 ? =0 ，波的傳播方向為 X ，而