CHƯƠNG 3: CÁC PHẦN TỬ QUAN TRỌNG MÁY THU VÔ TUYẾN
3.1. Bộ lọc chọn dải 1 Các bộ lọc SAW
3.1.1. Các bộ lọc SAW
Cơng nghệ lọc sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Wave - SAW) được sử dụng với các tần số trên 3 GHz. Về cơ bản một bộ lọc SAW là một vật liệu áp điện biến đổi một tín hiệu điện từ nhận được thành một tín hiệu âm và ngược lại. Trong dạng cơ bản nhất của nó, bộ lọc SAW bao gồm một mặt nền áp điện đánh bóng được gắn lên hai bộ chuyển đổi chứa các điện cực mỏng đan vào nhau. Các điện cực kim loại đan được đan xen này được sử dụng để phát và thu các sóng RF, để một tín hiệu điện được chuyển đổi thành một sóng âm và sau đó lại chuyển thành một tín hiệu điện. Ưu điểm cơ bản là các sóng âm truyền đi rất chậm (thơng thường là 3000 m/s), do đó có thể đạt được độ trễ lớn.
Tồn bộ các đặc tính đáp ứng tần số của một bộ lọc SAW được xác định bởi các đáp ứng xung thu được của mỗi bộ chuyển đổi. Các phép biến đổi được cộng vào với nhau theo đơn vị dB. Bề mặt của nền áp điện sau đó được khắc tương ứng với đáp ứng xung này.
Các ưu điểm của bộ lọc SAW bao gồm:
• Đóng gói nhỏ gọn đặc biệt là ở tần số >100MHz
• Hệ số định dạng thấp
• Các đặc tính pha tuyến tính tốt
• Hiệu năng tương đối ổn định với nhiệt độ
Nhiều các ưu điểm khác được mang lại từ kiến trúc vật lý của các bộ lọc SAW tạo điều kiện cho các thiết kế mạnh mẽ và tin cậy duy trì sự ổn định trong các ứng dụng. Hơn nữa, thiết kế vốn có và các kỹ thuật xử lý wafer của bộ lọc SAW cung cấp cho một thiết bị có khả năng lặp lại ở cả số lượng sản xuất lớn và nhỏ.
Các tham số then chốt của bộ lọc SAW được gọi tên và mơ tả ngắn gọn như sau:
• Tần số trung tâm (Fo). Nó có thể nằm trong khoảng từ vài chục MHz, tại đó thiết bị SAW được sử dụng thơng thường như một bộ lọc IF, tới vài GHz và được sử dụng như bộ lọc RF đầu vào.
• Độ rộng dải thơng (Bp). Độ rộng dải thông bộ lọc sẽ cho qua một tín hiệu có một dải thơng tần số xác định, và loại bỏ các tần số khác ở ngoài
là tỷ số băng thông (Bp/Fo) do sự ảnh hưởng của vật liệu nền được sử dụng trong thiết kế.Vật liệu nền ảnh hưởng tới rất nhiều tham số; tuy nhiên quan trọng nhất là đặc điểm ổn định nhiệt độ.
• Băng thơng chuyển tiếp (Bt). Đó là vùng giữa dải chặn và dải thơng nằm ở hai phía dải thơng.
• Độ loại bỏ (REJ). Tất cả các dải không nằm trong dải thông của bộ lọc SAW. Độ loại bỏ có thể được gọi là dải loại bỏ hay dải chặn. Chúng ta có thể xem nó như một dải mà trong đó độ suy hao tương đối lớn hơn phần cận dải loại bỏ xác định. Với thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp, độ loại bỏ 50dB hay lớn hơn là hồn tồn có thể trong một dải rộng lựa chọn phân đoạn các băng thơng và các hệ số định hình.
• Tổn thất bộ lọc(IL) Tổn thất bộ lọc tối thiểu đạt được thông thường chịu ảnh hưởng bởi phân đoạn băng thông và các ảnh hưởng của tỷ số này lên vật liệu nền sử dụng. Giá trị tổn thất thường sẽ tăng khi đến gần giới hạn phân đoạn băng thông của vật liệu nền. Các bộ lọc SAW tiền xử lý cho các dải cellular thường có tổn thất nhỏ hơn 3dB.
Chất nền bộ lọc SAW phải được làm từ một vật liệu áp điện khơng đẳng hướng (có các đặc tính khác nhau theo các hướng). Điều này thường có nghĩa là phải sử dụng một vật liệu tinh thể. Các vật liệu nền bao gồm:
• Thạch anh
• Lithium niobate (LiNbO3)
• Lithium tantalate (LiTaO3)
Bởi vì vật liệu SAW khơng đẳng hướng, các đặc tính của SAW phụ thuộc vào sự định hướng khi chất nền được cắt từ vật liệu ban đầu. Thơng thường thì các hướng chuẩn đã biết trước được sử dụng để cho các đặc tính SAW tốt.
Hiệu năng SAW phụ thuộc phần lớn vào việc lựa chọn. Thạch anh là một ví dụ, có tính áp điện yếu và hạn chế phân đoạn băng thông chỉ tới khoảng 4%. Mặt khác thì
nó lại có độ ổn định nhiệt tuyệt vời cỡ khoảng 10ppm trong dải ± 200C; Lithium Niobate thì ngược lại, cho các băng thơng rộng hơn nhưng lại kém ổn định nhiệt. Loại vật liệu thứ 3 Lithium tantalate thì ở mức trung bình của cả hai đặc tính.
Giới hạn tần số hoạt động hiện tại bị hạn chế bởi các kỹ thuật chế tạo. Trong sản xuất, độ rộng đường kẻ hẹp nhất cỡ khoảng 0,3um với tia UV quang khắc (365nm)
cho tần số hoạt động tối đa là 3GHz.
Có nhiều topo bộ lọc khác nhau. Các topo này có được bằng cách thay đổi các IDT, có 3 loại cơ bản khả dụng, bao gồm IIDT (Inter-digiated Inter-Digital Transducer), DMS (Double Mode SAW), và các bộ lọc SAW kiểu bậc thang.
Các bộ lọc được so sánh hiệu năng như bảng dưới đây:
Bảng 3.3: So sánh topo bộ lọc SAW
Tổn hao Suy hao Băng thông Độ bền công suất
IP3 Kiểu cân bằng IIDT 3-4dB 25-50dB Variabler Tốt ~37dBm Có thể DMS 2-3dB 25-60dB ~3.5% Xấu kém Có thể Bậc thang 1-3dB 20-40dB ~4% Tốt 61dB Không thể
Kiểu bậc thang phù hợp với yêu cầu tổn thất chèn thấp, băng rộng, và hoặc độ bền cơng suất cao trong khi DMS có khả năng với tổn thất chèn thấp, suy hao ngoài dải tần cao trong các ứng dụng cơng suất nhỏ. Gần đây, bộ lọc SAW IIDT ít được sử dụng trong RF do có tổn thất chèn lớn.
Các kỹ thuật quang khắc độ phân giải cao mới đây có thể tạo ra các bộ lọc SAW GHz. Sử dụng một đường i-line bậc (sử dụng nguồn sáng 365nm) có thể thực hiện được các bộ lọc 2.5-3.0GHz số lượng lớn. Khi sử dụng một excimer bậc hiện đại nhất có độ phân giải 0.13-0.18um, có thể sản xuất các bộ lọc 5.5-7.7GHz. Các bộ lọc bậc thang ở 5.1GHz tổn thất chèn 4dB, băng thông 150Mhz với loại bỏ dải chặn 25dB là hồn tồn có thể.
Một đáp ứng bộ lọc SAW điển hình, lấy từ data sheet của EPCOS B7835, được thiết kế cho máy thu UMTS được chỉ ra dưới đây. Bộ lọc này được thiết kế để có độ loại bỏ cao ở các tần số truyền tải của UMTS. Tổn thất chèn thường là 2.6dB.
Các chức năng của bộ lọc này cũng như một balun (balanced to unbalanced transformer) cho phép một đầu cuối đơn từ một anten có thể nối được dễ dàng tới một đầu vào khác. Trong khi có các lợi ích hiệu năng đặc biệt trong các máy thu Zero IF ở đó IP2 là quan trọng với tồn bộ sự khác biệt của máy thu, thì hiện tại có một xu hướng cơng nghiệp trong các máy thu cellular ở việc sử dụng các IC RF đầu cuối đơn để cân bằng. Điều này được thực hiện để hạn chế số các liên kết nối cần thiết trong các máy thu đa băng giữa bộ lọc và IC cho phép làm các IC RF ít chân hơn. Điều này cho phép đóng gói một RF IC nhỏ hơn có thể được sử dụng và đơn giản các tuyến trên PCB và vì vậy làm giảm chi phí.
Hình 3.54: Đáp ứng bộ lọc SAW UMTS
Có một xu hướng đang phát triển là đưa các bộ lọc SAW vào module tiền xử lý (Front End Module FEM), kết hợp với pin diode của bộ LNA và thậm chí cả các bộ khuếch đại cơng suất tất cả đều được gắn trên một LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic substrate). Điều này cho phép có thể giảm kích cỡ thiết kế do các thành phần có thể được che giấu trong phần gốm và giảm số lượng thiết kế RF cần hoàn thành cho thiết kế sản phẩm riêng.