SAW滤波器毕业论文

SAW滤波器毕业论文题目:基于Matlab的SAW滤波器的设计及实现院系：信息科学与工程学院专业：电子信息工程目录1 引言 (3)1.1 研究背景及意义 (3)1.2 研究现状 (5)1.3 本文的主要内容 (5)2. 声表面波及声表面波滤波器 (6)2.1 声表面波（SAW）基本理论 (6)2.1.1 声波方程 (6)2.1.2 声表面波（SAW.Surface Acoustic Wave） (7)2.1.3 各向异性弹性固体中的SAW (10)2.2 声表面波滤波器（SAWF）的基本原理及特性 (12)2.2.1 声表面波叉指换能器 (12)2.2.2 声表面波滤波器（SAWF） (14)3. SAW滤波器的数字设计与利用Matlab软件的实现 (18)3.1 滤波器的基本概念 (18)3.1.1 滤波器的滤波原理 (18)3.1.2 滤波器设计中的基本概念 (19)3.2 FIR设计的最佳一致逼近理论 (20)3.2.1 切比雪夫最佳一致逼近的基本思想 (20)3.2.2 利用切比雪逼近理论设计FIR滤波器 (21)3.2.3 采用Remez交换算法求解交错频率点组 (24)3.3 SAW滤波器的实现与仿真结果分析 (26)3.3.1 采用Chebyshev逼近理论设计SAW滤波器 (26)3.3.2 算法实现 (27)3.3.3 仿真结果分析 (30)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)附录A 代码全文 (36)摘要声表面波（SAW）器件是一种新型的模拟信号处理器件。

它在无线电频率RF 信号处理、移动通信、无线寻呼、有线电视网(CATV)等领域中已取得了成功的应用。

为了设计出SAW滤波器并在Matlab软件平台上实现，得到仿真图形，本文首先用了一定的篇幅来研究声SAW理论和滤波器设计，其中SAW理论只是为以后的研究提供理论依据，并不作为重点；重点是SAW滤波器的设计，包括叉指换能器(IDT)的研究和SAW滤波器的结构及工作原理。

虽然SAW滤波器是模拟的信号处理器件，但是可以借鉴FIR数字滤波器的切比雪夫最佳一致逼近理论和Remez交换算法来设计SAW滤波器，所以本文着重研究了切比雪夫最佳一致逼近理论和Remez交换算法的实现。

SAW滤波器可以实现任意精度的幅频特性和相频特性的滤波，这是其它滤波器所难以实现的，所以它在电子信息领域中得到了广泛的应用。

因此研究和分析SAW 滤波器的设计和实现具有十分积极的现实意义和应用价值。

关键词：声表面波SAW滤波器叉指换能器切比雪夫最佳一致逼近Remez交换算法1. 引言1.1 研究背景及意义声表面波（SAW.Surface Acoustic Wave）就是在压电基片材料表面上产生并传播、且其振幅随着深入基片材料的深度增加而迅速减少的一种弹性波。

1855年，英国物理学家瑞利（Railey）根据对地震波的研究，从理论上阐明了在弹性固体内除存在纵波和剪切波外，还可能存在一种波，这种弹性波沿半无限固体表面传播，称为瑞利波或声表面波。

声表面波器件是一种新型的模拟信号处理器件，由于信号处理理论的发展，需要高速高性能的处理器件，同时半导体平面工艺的不断改进，也促使了SAW器件的工作频率从10MHz延伸到了3GHz的范围。

因此SAW器件在无线电频率RF信号处理中得到了越来越广泛的重视，其中尤指声表面波滤波器（SAWF.SurfaceAcoustic Wave Filter）在移动通信、无线寻呼、CATV（Community Antenna Television）有线电视网等中已取得了成功的应用。

SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器——叉指换能器（IDT.Inter Digital Transducer）。

它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面上蒸镀一定厚度的铝膜，再把设计好的两个IDT的掩膜图案，利用光刻技术沉淀在基片表面上，分别用作输入换能器和输出换能器。

其工作原理是：输入换能器将电信号转换为声信号，沿压电晶体表面传播，输出换能器再将接收的声信号转换为电信号输出。

SAW滤波器的主要特点是：设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良（可选频率范围10MHz..3GHz ）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI.Electro Magnetic Interference）性能好、可靠性高、制作的器件体小量轻（其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的1/40和1/30左右），而且还能实现多种复杂的功能。

SAW滤波器的特点和优点，正适应了现代通信系统设备以及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。

其不足之处是：所需基片材料价格昂贵，另外对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。

SAW滤波器在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波千扰等方面起到了良好的作用，可以实现所需任意精度的幅频特性和相频特性的滤波，这是其它滤波器所难以实现的。

近年来国外已将SAW滤波器片式化，重量约0.2g;另外由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使得SAW器件的使用上限频率提高到2.5—3 GHz，从而更加促进了SAW滤波器在抗EMI领域中获得广泛的应用。

SAW滤波器以极陡的过渡带使CATV的邻频传输得以实现，与隔频传输相比，频谱利用率提高了一倍。

电视接收机如果不采用SAW滤波器，不可能工作的这么稳定可靠。

事实上，早期SAW滤波器的主要应用领域既是以电视机为代表的视听类家电产品，进入80年代之后，由于电子信息特别是通信产业的高速发展，为SAW 滤波器提供了一个广阔的市场空间，致使其产量和需求呈现直线上升的趋势。

目前，世界上SAW滤波器的年产量在6亿只以上，其中移动通信用小型RF（Radio Frequency 射频, 无线电频率）SAW滤波器就达到4.3亿只。

移动通信系统的发射端和接收端必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，由于其工作频段一般在800MHz.2GHz、带宽为17.30MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受功率大、低成本、小型化等特点。

由于在工作频段、体积和性能价格比等方面的优势，SAW滤波器在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器所望尘莫及的。

在无线寻呼系统中，BP机接收到的RF信号需先滤波后再放大，滤波器的电气特性直接影响到接收信号的灵敏度和精确度。

早期生产的BP机一般采用LC滤波器，由于LC滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此现在已逐步被SAW 滤波器所取代。

随着Internet的迅猛发展，全球上网的用户越来越多，但目前通过电话上网的最大缺点是带宽太窄（几十千赫），下载速度极慢，而CATV的网络频率资源丰富，不少商家因而均在开发基于CATV网的宽带多媒体数据广播系统，通过CATV上网可使信息传输速度提高几十倍以上，在这些系统中都要用到高性能的SAW滤波器来解决邻频抑制问题。

可见，SAW滤波器的市场前景十分可观。

1.2 研究现状在国外，失效机理的研究已从定性分析转向定量建模和计算机模拟。

在可靠性设计与预测技术方面，电路设计的可靠性最优化分析与仿真，以及基于各种失效机理模型的计算机辅助可靠性预测己逐步向应用方面发展。

在我国，可靠性物理及应用技术研究与国际相比差距较大，估计综合差距约10.15年。

就SAW器件而言，这方面的研究在国内差距就更大。

而SAW器件在军事通信、电子侦察及民用电子信息领域中都占有一定的位置，通过针对SAW滤波器的可靠性物理及应用技术的研究，有利于全面提高我国SAW器件的设计和制造水平以及提高SAW器件的可靠性。

1.3 本文的主要内容本论文首先介绍声表面波理论，但是并不作为研究内容，只是作为后面研究的理论基础。

接下来介绍声表面波滤波器（SAWF）的基本原理及特性和FIR设计的最佳一致逼近理论。

最后用Matlab编写代码，并得到仿真图形。

2. 声表面波及声表面波滤波器2.1 声表面波（SAW ）基本理论2.1.1 声波方程在各向同性无限大弹性固体中，根据固体的基本弹性性质，建立在X,Y ,Z 直角坐标系上，描述固体中的媒质质点运动的运动方程为:z z y y x x U Zt U U Y t U U Xt U 222222222)()()(∇+∂∆∂+=∂∂∇+∂∆∂+=∂∂∇+∂∆∂+=∂∂μμλρμμλρμμλρ （2.1）式中，2222222Z Y X ZU Y U X U ∂∂+∂∂+∂∂=∇∂∂+∂∂+∂∂=∆ x U 、y U 、z U 分别表示固体中某质点在X 、Y 、Z 方向上的位移矢量，λ与μ是拉密常数（μ也称为切变弹性系数），ρ为固体媒质的密度。

引入标量势函数Φ和矢量势函数ψ，方程（2.1）可表示为两个独立的方程:Φ∇+=∂Φ∂222)2(μλρt（2.2） ψ∇=∂ψ∂222μρt（2.3） 对于势函数还可以用其分量表示:i i tψ∇=∂ψ∂222μρ 其中（i=X 、Y 、Z ） （2.4） 由势函数可以确定媒质的质点在各方向上的速度ZY X t U V y z x x ∂ψ∂+∂Φ∂+∂Φ∂=∂∂= （2.5a ） ZY X t U V z x y y ∂ψ∂+∂Φ∂+∂Φ∂=∂∂= （2.5b ） Z Y X t U V x y z z ∂ψ∂+∂Φ∂+∂Φ∂=∂∂= （2.5c ）从式（2.2）可知，假定媒质中ψ=0，波的传播方向为X ，而)(X K wt j A L e -⋅Φ=Φ，于是从（2.5）式可求出媒质质点速度为：)(==⋅Φ-=-Z Y X K wt j A L X V V e jK V L （2.6） 显然公式（2.6）描述了纵波的规律，式中LL C w K =，L C 为纵波的传播速度，ρμλ2+=L C ，A Φ为常数，w 为声波的角频率。

同理，从式（2.3）中可见，假设波的传播方向仍为X ，以及Φ=0，而0=ψ=ψY x ，)(X K wt j A Z t e -⋅ψ=ψ，则从式（2.5）中得到:)(0X K wt j A t Y Z X t e jK V V V -⋅ψ=== （2.7）它描述了横波的规律，因为它表示了媒质的质点速度（Y 方向）与波的传播方向X 相互垂直，式中t t C w K =，t C 为横波的传播速度，ρμ=t C ，A ψ为常数。

由此可见，当媒质的尺寸与所传播的声波的波长相比较为无限大，固体中可以同时存在（或单独存在其中的一种）两种波型——横波和纵波，它们的波的传播速度只决定于媒质的性质，而与波的频率无关，所以属于非色散波。

2.1.2 声表面波（SAW.Surface Acoustic Wave ）声表面波是在固体上出现的，因而描述它的势函数一定要满足固体中的声波方程（2.2）和（2.3）。