Akustische Oberflächen- oder Bulk-Filter – welche sind wann besser?

| Autor / Redakteur: Axel Gensler * / Thomas Kuther

Wellenformen: 
SAW- und BAW-Komponenten eignen sich als HF-Filter.
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SAW- und BAW-Komponenten eignen sich als HF-Filter. (Bild: © Neyro, fotolia)

In drahtlosen HF-Systemen sind sie unverzichtbar: wellenformende Bauelemente wie SAW- und BAW-Filter. Hier erfahren Sie, in welchen Anwendungen die Vorteile dieser beiden Technologien liegen.

Quarze, Oszillatoren und Hochfrequenzfilter sind Schlüsselkomponenten in jedem drahtlosen System. Für alle gilt der Trend zur Miniaturisierung ohne Performance-Einbußen. Tragbare Systeme mit drahtloser Kommunikationstechnik stellen dabei den am schnellsten wachsenden Markt dar mit entsprechend hohen Volumina.

Die heutigen drahtlosen Geräte sind in der Regel nicht nur mit einer Funktechnologie ausgerüstet, sondern müssen Signale verschiedener Bänder, Multiplexverfahren und Applikationen bedienen können. Es geht also nicht nur darum, externe Störquellen zu unterdrücken, sondern auch die durch das Gerät parallel erzeugten Signale separieren zu können. Moderne Smartphones z.B. sind dafür ausgelegt, Sende- und Empfangswege in verschiedenen LTE-Bändern bereitzustellen, außerdem GPS, RFID, WLAN oder Bluetooth. Ohne akustische Filtertechnik und Duplexer ist das nicht möglich.

SAW- und BAW-Komponenten und ihre Unterschiede

Die Surface-Acoustic-Wave-Technologie (SAW) ermöglicht seit langem Hochfrequenzfilter mit kleinen Formfaktoren bei kontinuierlich abnehmenden Kosten. Die gestiegenen Anforderungen hin zu höheren Mobilfunkfrequenzen bei einer immer dichter werdenden Frequenzbandzuteilung bringt die herkömmlichen SAW-Lösungen jedoch an ihre Grenzen.

Lösungen, die auf der Bulk-Acoustic-Wave-Technologie (BAW) basieren, können diese Schranken durchbrechen und adressieren insbesondere Frequenzen ab 1,8 GHz. Bauelemente der SAW- und BAW-Technologie nutzen beide das Prinzip der akustischen Wellen, aber auf andere Art und Weise mit unterschiedlicher Performance, insbesondere bei höheren Frequenzen.

Wie aber unterscheiden sie sich genau und wann sollte besser ein SAW-Filter eingesetzt werden, wann besser ein BAW-Filter?

Beide Bauelemente verwenden interdigitale Wandler (IDTs, InterDigital Transducers), um die elektrische Energie in mechanische akustische Wellen umzuwandeln und diese wieder in elektrische Energie auszukoppeln. Die kleinen Strukturen der IDT begrenzen letztlich jedoch, insbesondere bei hohen Frequenzen, die praktische Herstellbarkeit von SAW-Filtern/Resonatoren und schränken zudem die maximal zulässige Leistung (max. RF Input Power) ein.

Bei dem SAW-Filter (Oberflächenwellenfilter) bewegen sich akustische Wellen über die Oberfläche eines elastischen, piezoelektrischen Materials (Bild 1). Die Struktur der aufgebrachten Interdigitalwandler wird mit steigender Frequenz extrem klein, sie sind schwierig herzustellen und die mögliche maximale Sendeleistung nimmt ab.

Im Gegensatz dazu breiten sich die akustischen Wellen in einem BAW-Filter im piezoelektrischen Material (BULK) aus, die IDTs können dabei vergleichsweise immer noch großflächig ausfallen (Bild 2).

Bei SAW-Filtern sinkt schon ab 1 GHz ihre Selektivität, bei etwa 2,5 GHz ist ihre Verwendung auf Applikationen mit geringeren Leistungsanforderungen eingeschränkt. Zudem sind SAW-Filter notorisch empfindlich gegenüber Temperaturänderungen: Die Steifigkeit des Substratmaterials neigt bei höheren Temperaturen dazu abzunehmen und verändert die akustische Wellengeschwindigkeit.

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