Việc sử dụng radio ngày càng tăng cho các ứng dụng không dây, chẳng hạn như thiết kế quân sự, thương mại, y tế và điều hướng, đòi hỏi phải sử dụng nhiều mạng lọc trong chuỗi thu phát. Các đài phát thanh trao đổi tín hiệu qua các kênh không dây chung, điều này gây ra nhiễu tín hiệu và nhiễu xuyên âm giữa các đài phát thanh cùng tồn tại trong một ứng dụng.
Bộ lọc giúp triệt tiêu hoặc loại bỏ các tín hiệu không mong muốn như nhiễu tín hiệu, xuyên âm, sóng hài và tín hiệu gây nhiễu để đưa tín hiệu hữu ích vào hệ thống radio. Bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) lý tưởng để sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu bộ lọc từ 10 MHz đến 3 GHz.

Định nghĩa

Bộ lọc sóng âm bề mặt hoặc bộ lọc SAW là bộ lọc RF nhỏ gọn, chi phí thấp, có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau lên đến 3 GHz. Bộ lọc SAW hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng âm thanh hoặc cơ học trên vật liệu áp điện. Để làm được điều đó, các bộ lọc này sử dụng các bộ chuyển đổi liên ngón (IDT). Các điện cực răng lược (IDT) có các điện cực kim loại xen kẽ ở cả hai đầu của thiết bị, chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng âm và sau đó trở lại thành tín hiệu điện.
Sau khi năng lượng điện được chuyển đổi thành sóng âm, các sóng này sẽ truyền trên bề mặt của một vật liệu đàn hồi, áp điện với biên độ giảm dần vào vật liệu nền, chẳng hạn như thạch anh, tantalat lithi (LiTaO3) hoặc niobat lithi (LiNbO3). Sự suy giảm này là nguyên nhân gây ra tổn hao chèn trong các bộ lọc SAW.

Bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) phù hợp nhất cho các ứng dụng lên đến 3 GHz. Khả năng chọn lọc của bộ lọc bắt đầu giảm trên 1,5 GHz, và ở khoảng 3 GHz, việc sử dụng chúng chỉ giới hạn ở các ứng dụng có yêu cầu hiệu suất vừa phải.

Tần số trung tâm của bộ lọc SAW bị ảnh hưởng đáng kể bởi sự thay đổi nhiệt độ. Ngoại trừ nền thạch anh, tần số trung tâm của bộ lọc sẽ dịch chuyển lên trên ở nhiệt độ thấp hơn và dịch chuyển xuống dưới ở nhiệt độ cao hơn theo cách tuyến tính. Để bù đắp cho những thay đổi tần số này, các thành phần dịch nhiệt thường được thêm vào bộ lọc SAW. Một lựa chọn khác là sử dụng bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW) được bù nhiệt, tức là bộ lọc SAW bù nhiệt.

Tại sao lại chọn SAW?

Bộ lọc SAW mang lại nhiều ưu điểm so với các loại bộ lọc khác cho việc lọc RF và IF trong các mạch không dây hiện nay về kích thước, độ chọn lọc và hiệu suất, đồng thời có khả năng kiểm soát tốt các dải thông và dải chặn. Điều này có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ công nghệ trong việc thu nhỏ kích thước bao bì, khả năng tái tạo và hiệu quả chi phí.
• Vận tốc sóng của sóng âm truyền qua chất nền SAW thấp hơn khoảng 105 lần so với vận tốc sóng điện từ (EM) trong không gian tự do. Nói cách khác, bước sóng trong thiết bị SAW có thể ngắn hơn 105 lần so với sóng điện từ. [1] Thuộc tính này cho phép thu nhỏ các thiết bị SAW.
• Sự đa dạng về thành phần tinh thể và kỹ thuật cắt tinh thể giúp đạt được hệ số chất lượng (Q) phù hợp. Điều này cho phép đạt được cả độ chọn lọc cao so với bộ lọc LC và bộ lọc điện môi, cũng như băng thông rộng.
• Bộ lọc SAW cung cấp khả năng kiểm soát tần số tuyệt vời với độ lặp lại cao trong sản xuất hàng loạt thông qua kỹ thuật chế tạo vi mô. Mặc dù khả năng tái tạo có phần dễ dàng đối với các cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, nhưng nó lại là một thách thức trong thiết kế và chế tạo các thiết bị SAW cho các bộ thu phân kênh.
• Sự linh hoạt về chi phí cho phép mở rộng việc sử dụng bộ lọc SAW vào nhiều ứng dụng khác nhau.
Các cấu trúc đơn giản, chi phí thấp của chúng phù hợp với các yêu cầu khối lượng lớn như thiết bị di động.
Trong khi đó, các thiết bị chuyên dụng, chi phí cao lại phù hợp hơn cho các ứng dụng khối lượng nhỏ như xử lý tín hiệu radar. 

Cấu trúc

Cấu trúc bên trong của bộ lọc SAW dựa trên các nguyên tắc của Sóng âm bề mặt (SAW). Khi tín hiệu điện áp đi qua tinh thể áp điện trên Bộ lọc SAW, các sóng âm bề mặt sẽ được tạo ra. Những sóng này lan truyền trên bề mặt tinh thể, tương tác giữa các phần tử lọc và phản xạ, tạo thành một dạng sóng tương tự như dao động cơ học. Các mẫu sóng này lọc ra các tín hiệu có tần số cụ thể, do đó đạt được chức năng lọc.

Bộ lọc SAW sử dụng vật liệu áp điện. Vật liệu áp điện là những vật liệu tạo ra điện tích khi chịu tác dụng của lực bên ngoài, và ngược lại. Trong bộ lọc SAW, các tinh thể áp điện được sử dụng để tạo và thu các sóng âm bề mặt. Khi điện áp đi qua tinh thể áp điện, nó sẽ bị biến dạng, từ đó tạo ra sóng âm bề mặt. Khi các sóng này truyền đến bộ thu trên tinh thể, tinh thể sẽ tạo ra điện tích, điện tích này được bộ lọc xử lý và xuất ra.

Cấu trúc vật lý của bộ lọc SAW bao gồm một đế tinh thể, lớp vật liệu áp điện, các phần tử lọc và phản xạ. Chất nền tinh thể hỗ trợ các thành phần, vật liệu áp điện được sử dụng để tạo và thu sóng âm bề mặt, và các phần tử lọc và phản xạ kiểm soát và lựa chọn đường truyền tín hiệu. Vật liệu áp điện tạo ra sóng âm bề mặt, sau đó được lọc thông qua sự tương tác của các phần tử lọc và phản xạ, từ đó đạt được chức năng lọc cho các tín hiệu tần số cụ thể.

Cấu hình điện cực của bộ lọc SAW đề cập đến sự sắp xếp của các điện cực được áp dụng cho tinh thể áp điện. Các điện cực này được sử dụng để tạo và điều khiển sóng âm bề mặt, từ đó thực hiện các chức năng lọc tín hiệu. Cấu hình của các điện cực ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc tính của bộ lọc, bao gồm đáp ứng tần số, suy hao chèn và các đặc tính dải thông, cùng nhiều yếu tố khác. Do đó, khi thiết kế bộ lọc SAW, cần phải xem xét cẩn thận cấu hình điện cực để đảm bảo bộ lọc đáp ứng các yêu cầu thiết kế. 

Ứng dụng

Các ngành công nghiệp thường sử dụng công nghệ bộ lọc SAW bao gồm:

-Truyền thông di động & viễn thông
-Y tế
-Radar
-Truyền thông quân sự và hàng không vũ trụ

Truyền thông di động & Viễn thông

‍Bộ lọc SAW hoạt động tuyệt vời trong nhiều ứng dụng viễn thông nhờ kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và độ bền cao. Chúng là loại bộ lọc phổ biến nhất cho các thiết bị truyền thông di động và thường được sử dụng cho băng thông lên đến 2GHz.Các ứng dụng cụ thể thường sử dụng bộ lọc SAW trong thông tin di động bao gồm:Băng tần LTE (tiến hóa dài hạn)5GGSM (Hệ thống thông tin di động toàn cầu)CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)WCDMA (truy cập phân chia theo mã băng rộng)Về viễn thông, bộ lọc SAW thường được sử dụng trong các trạm gốc làm bộ lọc thông dải ở giai đoạn tần số trung gian. Biên độ ở đây lý tưởng nhất sẽ có độ méo thấp và biến thiên dải thông tối thiểu.

‍Y tế

‍Bộ lọc SAW cũng có thể lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong ngành y tế. Một trong những ứng dụng phổ biến nhất là cho cảm biến. Đôi khi các ứng dụng y tế sử dụng đường trễ SAW làm phần tử cảm biến để phát hiện tại chỗ. Một ứng dụng thực tế hơn bao gồm việc sử dụng bộ lọc SAW làm bộ lọc thông dải cho truyền thông không dây trong ngành y tế. Những công nghệ này thường bao gồm giao tiếp trường gần, công suất thấp.

‍Radar

‍Các bộ lọc SAW có độ trễ tuyến tính thay đổi trên một dải thông qua cố định rất phù hợp cho các giải pháp radar. Điều này còn được gọi là băng thông thời gian (TB). Băng thông thời gian càng lớn thì hiệu quả định vị và theo dõi càng tốt. Việc theo dõi có thể hiệu quả hơn nữa bằng cách thêm bộ xử lý tín hiệu số.

Radar mảng quét điện tử chủ động (AESA) là một trong những loại radar mới nhất và phổ biến nhất hiện nay. Chúng cũng là một ứng dụng tuyệt vời cho các bộ lọc SAW. AESA có thể hướng sóng vô tuyến theo các hướng khác nhau mà không cần di chuyển ăng-ten. Nó thậm chí có thể phát ra nhiều chùm sóng vô tuyến ở nhiều tần số cùng một lúc. Công nghệ này được sử dụng trong các tàu và máy bay hiện nay để đánh lừa radar.

‍Truyền thông quân sự và hàng không vũ trụ

‍Bộ lọc SAW có thể được thiết kế để cung cấp độ chọn lọc cao và độ méo thấp cho các ứng dụng thông tin liên lạc quân sự và hàng không vũ trụ. Chúng cũng giúp giảm chi phí và kích thước so với các công nghệ lọc khác.

Bộ lọc SAW cũng có thể cung cấp lọc thông dải cho nhiều nhu cầu truyền thông quân sự và hàng không vũ trụ, bao gồm:

Bộ lọc máy phát và máy thuBộ lọc tần số trung gian (IF) trong hệ thống siêu dị âm

Bộ lọc IF trong radio định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

Ứng dụng Nhận dạng Bạn hay Địch (IFF)

Công nghệ SAW cũng hoạt động rất tốt với bộ song công và có thể được sử dụng cho bộ dao động cục bộ trong nhiều nhu cầu liên lạc quân sự khác.