面向手機的溫度補償型SAW雙工器的開發動向

前言

近年來伴隨著搭載高性能處理器的智能手機/平板電腦等多功能終端的普及，無線通信領域的信息量暴增成了重大課題。針對這一課題，通信業界采用了第二代通信規格的Long  Term Evolution (LTE)的方法來對應，這種頻率的頻帶運用方法至今尚未在移動設備中使用過。

此外，為了對應新頻率Radio Frequency (RF)電路中的元器件個數也相應增加。原來的Global System for Mobile  Communication (GSM) /Universal Mobile Telecommunications System  (UMTS)對應終端的規格是GSM中搭載4個，UMTS中搭載2-4個頻帶的情況居多，而LTE對應終端中則多搭載了1-2個頻帶。對于手機制造商來說，像移動設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行元器件安裝，那么電路板產生的發熱惡化以及與發熱元件相鄰的原因而導致溫度上升是設備內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設備溫度上升問題的對策，這就是具備減少溫度變化時頻移量這一特征的Temperature  Compensated-Surface Acoustic Wave (TC-SAW)。

SAW雙工器的運作以及課題

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，是為手機的小型化、多功能化和多樣化做出貢獻的電子元器件之一。

首先，我們將針對SAW雙工器在RF電路中實際運用時究竟是如何工作的進行簡單說明。圖1是典型的RF電路圖。在收信時通過Antenna  (Ant)來接收信號的頻率通過Switch  (SW)切換成適當的SAW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)。而送信時從Transceiver-IC產生的高頻信號通過Power Amplifier  (PA)增幅后，再通過SAW雙工器過濾成必要的頻率，從Ant向基站發送信號。此外，SAW雙工器還能防止送信時從送信電路向接收電路產生的送信信號的回旋。

SAW雙工器在送信時通過PA產生增幅的信號功率有必要更有效率地向Ant傳輸，而這時因為SAW雙工器的關系會導致信號功率發生損耗。損耗的信號功率會轉換成熱能而使SAW雙工器自身發熱。此外，隨著對應頻帶數量的增加，又由于模塊化和高密度實裝的關系促使對像PA這種發熱元器件的影響增大。因此，SAW雙工器考慮到了移動設備所使用的RF電路中的溫度變化，它已經將一定的溫度變化范圍計算在內了。此時必須考慮的問題是SAW雙工器的溫度變化會導致頻率發生變化。這種頻率變化是之前說過的對應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

針對這個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。村田制作所采用特有的技術研發出了降低頻率溫度依賴性的產品TC-SAW，除此之外還有Standard  (STD) –SAW。

此外，近年來市場中的Bulk Acoustic Wave  (BAW)技術通過良好的頻率選擇性和高頻對應使其成為存在感劇增的技術，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品化的TC-SAW、STD-SAW和一般的BAW的頻率溫度依賴性的實例。圖2所示的ppm/deg.C表示的是當溫度變化時頻率變化的比率。該值可以顯示出溫度變化細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。根據這個結論可以得出TC-SAW具有優化頻率溫度依賴性的特征。

TC-SAW的構造

圖3是村田制作所STD-SAW以及TC-SAW構造的示意圖。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都是因為使用的壓電電路板具有頻率溫度依賴性的相同特點。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降低，那么頻率溫度系數就會變成負值。另外，SiO2具備正頻率溫度系數的特點。因此，和STD-SAW相比的話由于覆蓋了一層厚SiO2的獨特構造，SiO2的正頻率溫度系數的影響會變大，那么SAW雙工器與STD-SAW相比就實現了抑制頻率溫度依賴性的特點。STD-SAW的保護膜SiO2具有強大的特質，如果覆蓋了像TC-SAW一樣厚的SiO2的話就不能保證帶寬，同時也不能獲得優良的特性。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的切割角發生了變化使得頻率選擇性變得可控制，村田制作所運用了對應項目的必要特性設計了符合市場需求的最佳切割角。

村田制作所的TC-SAW產品陣容

雙工器的設計根據Third Generation Partnership Project  (3GPP)的規格根據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兩者的關系來看，如圖4。村田制作所正致力于圖4中圈出的部分，計劃優先實現TC-SAW對應的產品。

目前為止介紹的TC-SAW相關的產品實際上是目前主流的2.0×1.6mm (2016)尺寸的產品陣容以及今后將要成為主流的1.8×1.4mm  (1814)尺寸的產品陣容，如表1所示。這些產品已經開始量產并且不久后將向市場供應，由于已經得到了顧客的良好反饋，預計今后還將根據市場需求進行擴大。

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產品化開始，就已經將很多項目產品化。同時隨著構造的變化以及應用的改善不斷滿足市場對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TC-SAW的期望將會更高。在此之間，村田制作所還將繼續擴充運用了此次介紹的技術的產品陣容并且繼續開發全新的、改進的TC-SAW產品。另外，為了對應RF電路的模塊化趨勢，預計還將擴大面向模塊的產品陣容。