隨著移動(dòng)設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng)大，支持的網(wǎng)絡(luò)頻段越來(lái)越多，射頻前端模塊成了移動(dòng)設(shè)備中不可缺少的一部分。舉例來(lái)說(shuō)，一款較新的手機(jī)至少需要支持2G，3G，4G以及WiFi，GPS等網(wǎng)絡(luò)制式，而每一個(gè)制式都需要自己的射頻前端模塊。射頻前端模塊一般包括天線開(kāi)關(guān)，多路器，濾波器，功率放大器與低噪聲放大器等等。這些器件目前仍無(wú)法用集成度最高的CMOS工藝制造，而必須使用特殊工藝以保證性能。
根據(jù)Mobile Expert LLC的研究報(bào)告，2016年在智能手機(jī)增長(zhǎng)萎靡（9%）的情況下，射頻前端模塊的增長(zhǎng)率仍達(dá)到了17%。而在射頻前端模塊中，未來(lái)發(fā)展最快的，也最關(guān)鍵的模塊就是射頻濾波器模塊。
濾波器到底有多重要
隨著無(wú)線通訊應(yīng)用的發(fā)展，人們對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也越來(lái)越高。在2G時(shí)代，只有一小部分人會(huì)使用手機(jī)上網(wǎng)下載鈴聲或?yàn)g覽wap版網(wǎng)頁(yè)，需要的數(shù)據(jù)率大約在1KB／s。在3G時(shí)代，隨著智能手機(jī)的普及，使用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)收發(fā)郵件，使用各種app等使得網(wǎng)絡(luò)流量劇增，需要的數(shù)據(jù)率大約是50KB／s。到了4G時(shí)代的今天，直播等應(yīng)用更是將手機(jī)通訊的帶寬需求推向了一個(gè)新的高度，需要的數(shù)據(jù)率達(dá)到了1MB／s。
與數(shù)據(jù)率上升相對(duì)應(yīng)的是頻譜資源的高利用率以及通訊協(xié)議的復(fù)雜化。這兩個(gè)問(wèn)題是相輔相成：由于頻譜資源有限，為了滿足人們對(duì)數(shù)據(jù)率的需求，必須充分利用頻譜，因此一部手機(jī)必須能夠覆蓋很寬的頻帶范圍，這樣在人群擁擠的情況下不同人的設(shè)備才能夠分配到足夠的頻譜帶寬。同時(shí)，為了滿足數(shù)據(jù)率的需求，從4G開(kāi)始還使用了載波聚合技術(shù)，使得一臺(tái)設(shè)備可以同時(shí)利用不同的載波頻譜傳輸數(shù)據(jù)。
另一方面，為了在有限的帶寬內(nèi)支持足夠的數(shù)據(jù)傳輸率，通信協(xié)議變得越來(lái)越復(fù)雜，因此對(duì)于射頻系統(tǒng)的各種性能也提出了嚴(yán)格的需求。
在射頻前端模塊中，射頻濾波器起著至關(guān)重要的作用。它可以將帶外干擾和噪聲濾除以以滿足射頻系統(tǒng)和通訊協(xié)議對(duì)于信噪比的需求。如前所述，隨著通信協(xié)議越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于通訊協(xié)議對(duì)于頻帶內(nèi)外的需求也越來(lái)越高，這也使得濾波器的設(shè)計(jì)越來(lái)愈有挑戰(zhàn)性。另外，隨著手機(jī)需要支持的頻帶數(shù)目不斷上升，由于每一個(gè)頻帶有需要有自己的濾波器，因此一款手機(jī)中需要用到的濾波器數(shù)量也在不斷上升。目前，一款4G手機(jī)中的需要用到的濾波器數(shù)量可達(dá)30余個(gè)。
隨著射頻濾波器變得越來(lái)越重要，各大射頻前端廠商也在積極布局濾波器市場(chǎng)。各大行業(yè)研究結(jié)構(gòu)也看好射頻濾波器市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展。Technavio在研究報(bào)告中指出，射頻濾波器市場(chǎng)2016-2020的年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)15%，并且已經(jīng)超越PA成為整個(gè)射頻前端模塊市場(chǎng)中最重要的組成部分。
濾波器技術(shù)簡(jiǎn)介
射頻濾波器最主要的指標(biāo)包括品質(zhì)因數(shù)Q和插入損耗。在目前的通訊協(xié)議中，不同頻帶間的頻率差越來(lái)越小，因此需要非常好選擇性，讓通帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)并阻擋通帶外的信號(hào)。Q越大，則濾波器可以實(shí)現(xiàn)越窄的通帶帶寬，也就是說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)較好的選擇性。
除了品質(zhì)因數(shù)Q之外，插入損耗也是重要參數(shù)。插入損耗是指通帶信號(hào)被濾波器的衰減，即信號(hào)功率損耗。插入損耗有1dB，則信號(hào)功率被衰減20%；當(dāng)插入損耗到達(dá)3dB時(shí)，則信號(hào)功率被衰減了50%！在4G時(shí)代，信號(hào)功率放大并不簡(jiǎn)單，如果又有許多功率被浪費(fèi)在濾波器上，則PA／LNA設(shè)計(jì)就更難了。
目前射頻濾波器最主流的實(shí)現(xiàn)方式是SAW和BAW。SAW是聲表面濾波器，利用壓電效應(yīng) 。當(dāng)對(duì)晶體施以電壓，晶體將發(fā)生機(jī)械形變，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)這種晶體被機(jī)械壓縮或展延時(shí)，機(jī)械能又轉(zhuǎn)換為電能。在晶體結(jié)構(gòu)的兩面形成電荷，使電流流過(guò)端子和/或形成端子間的電壓。在固態(tài)材料中，交替的機(jī)械形變會(huì)產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲表面波濾波器內(nèi)，聲波在表面?zhèn)鞑ゲ⑿纬神v波，其品質(zhì)因數(shù)可達(dá)數(shù)千。
然而，SAW濾波器也有自己的局限。SAW在1.5GHz以下使用非常合適，但是在工作頻率超過(guò)1.5GHz時(shí)，SAW的Q值開(kāi)始下降，到2.5GHz時(shí)，SAW的選擇性已經(jīng)只能用在一些要求比較低的場(chǎng)合。然而，目前的無(wú)線通訊協(xié)議已經(jīng)早就工作大于2.5GHz的頻段（例如4G TD-LTE的Band 41）等，這時(shí)候SAW就不夠用了，必須使用體聲波（BAW）濾波器。
BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬對(duì)聲波實(shí)施激勵(lì)，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。在>2.5GHz的頻段，BAW壓電層的厚度必須在幾微米量級(jí)，因此，要在載體基板上采用薄膜沉積和微機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)。
為了把聲波的能量局限在濾波器體內(nèi)，可以使用BAW-SMR技術(shù)或FBAR技術(shù)。BAW-SMR技術(shù)通過(guò)堆疊不同材質(zhì)的薄層形成一個(gè)反射器，而FBAR技術(shù)則在有冤屈下方蝕刻出空腔以實(shí)現(xiàn)懸浮膜。
BAW濾波器
BAW濾波器在高頻段可實(shí)現(xiàn)低插入損耗和高Q值，成為高性能射頻系統(tǒng)的首選。然而，BAW濾波器的成本目前還很高，這成為了限制BAW普及的重要因素。
如何選取合適射頻濾波器
在當(dāng)今無(wú)線領(lǐng)域，激烈的擴(kuò)展帶寬的競(jìng)爭(zhēng)迫使人們要更加關(guān)注濾波器的性能。如果對(duì)濾波器參數(shù)確定不準(zhǔn)確，最終會(huì)導(dǎo)致頻率沖突，反過(guò)來(lái)使設(shè)計(jì)組又得處理串?dāng)_、掉線、數(shù)據(jù)丟失以及網(wǎng)絡(luò)連接中斷的問(wèn)題。
濾波器定義不完整或不準(zhǔn)確這一問(wèn)題產(chǎn)生的部分原因是目前電子市場(chǎng)對(duì)數(shù)字電子很熱衷。根據(jù)某些統(tǒng)計(jì)，80%～90%的新電子設(shè)計(jì)工程師都是軟件和數(shù)字方面的。知識(shí)缺口就在于此，因?yàn)椴还軅鬏數(shù)男畔⑹欠袷菙?shù)字形式，當(dāng)信息通過(guò)無(wú)線電或微波傳輸時(shí)，載波信號(hào)總是遵守電磁學(xué)物理定律。
所幸的是，對(duì)濾波器性能參數(shù)的某些重要基礎(chǔ)進(jìn)行快速重溫，可幫助工程師正確找出滿足特定應(yīng)用的濾波器。開(kāi)始時(shí)如果選擇正確，則能節(jié)省時(shí)間和金錢，在訂購(gòu)這些必不可少的元件時(shí)就能確保價(jià)廉物美。
1.了解基本響應(yīng)曲線
濾波器的基本響應(yīng)曲線包括：帶通、低通、高通、帶阻、雙工器，如圖1A-1F所示。每一個(gè)特定形狀都決定了哪些頻率可以通過(guò)，哪些不能通過(guò)。
無(wú)疑，這一組中最常見(jiàn)的是帶通濾波器。所有工程師都知道，帶通濾波器允許兩個(gè)特定頻率之間的信號(hào)通過(guò)，對(duì)其它頻率的信號(hào)進(jìn)行抑制。例如聲表面波濾波器（SAW）、晶體濾波器、陶瓷和腔體濾波器。作為參考，Anatech Electronics公司制造的腔體帶通濾波器的頻率覆蓋范圍為15 MHz～20 GHz，帶寬在1%～100%范圍。所有制造商都采用了用濾波器中心頻率兩邊0.5 dB、1 dB或3 dB衰減點(diǎn)定義通頻帶的方法。
2．不要追求不切實(shí)際的濾波器特性
工程師有時(shí)會(huì)提出如下的要求：“我需要通頻帶為1,490～1,510MHz，1,511 MHz處的抑制大小為70 dB。”這一要求無(wú)法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，抑制是逐漸變化的，不是90°急劇下降，更實(shí)際的參數(shù)為偏離中心頻率約10%。
另一個(gè)情況是要求濾波器例如“抑制1,960 MHz頻率以上的所有成分?！边@時(shí)，工程師必須意識(shí)到不可能衰減該抑制頻率直到無(wú)限高頻率之間的所有頻率。必須設(shè)置某些邊界。更現(xiàn)實(shí)的方法或許是，將通頻帶附近的特定抑制頻率衰減兩到三倍。
3.包括所有必要的技術(shù)參數(shù)
經(jīng)常出現(xiàn)這一情況，工程師給出一個(gè)需要“一個(gè)100 MHz帶通濾波器”的簡(jiǎn)短要求，這一要求顯然信息量太少了。濾波器供應(yīng)商實(shí)在難以根據(jù)這么點(diǎn)信息就簽單。
給出所有必要的信息從詳細(xì)給出所有頻率參數(shù)開(kāi)始，如：
中心頻率（Fo): 通常定義為帶通濾波器（或帶阻濾波器）的兩個(gè)3dB點(diǎn)之間的中點(diǎn)，一般用兩個(gè)3 dB點(diǎn)的算術(shù)平均來(lái)表示。
截止頻率（Fc):為低通濾波器或高通濾波器的通帶到阻帶開(kāi)始的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，該轉(zhuǎn)換點(diǎn)一般為3 dB點(diǎn)。
抑制頻率：信號(hào)衰減某些特定值或值的集合的特定頻率或頻率組。有時(shí)定義理想通帶之外的頻率區(qū)為抑制頻率或頻率組，所經(jīng)過(guò)的衰減稱為抑制。
濾波器類型決定了特定頻率。對(duì)帶通和帶阻濾波器，特定頻率為中心頻率。對(duì)低通和高通濾波器，特定頻率為截止頻率。為了完整起見(jiàn)，工程師還應(yīng)定義下列特性，如：
阻帶：濾波器不傳輸?shù)奶囟l率值之間的頻率帶。
隔離：雙工器中，考慮接收（Rx）通道時(shí)為抑制傳輸（Tx）頻率的能力，考慮傳輸（Tx）頻率時(shí)為抑制接收（Rx）頻率的能力，稱為Rx/Tx隔離。隔離度越高，濾波器能夠?qū)x信號(hào)與Tx信號(hào)隔離開(kāi)的能力就越強(qiáng)，反之亦然。其結(jié)果是傳輸和接收信號(hào)都更加干凈。
插入損耗（IL)：表示器件中功率損耗的一個(gè)值，IL=10Log(Pl/Pin), 與頻率無(wú)關(guān)，其中Pl為負(fù)載功率，Pin為從發(fā)生器輸入的功率。
回波損耗（RL):為濾波器性能的一種度量，表示濾波器輸入和輸出阻抗接近理想阻抗值的程度。回波損耗定義為：RL = 10Log(Pr/Pin)，與頻率無(wú)關(guān)，其中Pr為反射回發(fā)生器的功率。
群延遲(GD): 群延遲表示器件相位線性的大小。
由于相位延遲出現(xiàn)于濾波器的輸出端，了解這種相移隨頻率的變化是否為線性很重要。如果相移隨頻率非線性變化，輸出波形將發(fā)生畸變。群延遲定義為相移隨頻率變化的導(dǎo)數(shù)。因?yàn)榫€性函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為常數(shù)，所以線性相移引起的群延遲為常數(shù)。
形狀因子（SF): 濾波器的形狀因子通常為阻帶帶寬（BW)與3 dB帶寬的比值。它是濾波器邊緣的陡峭程度的一種量度。例如，如果40 dB帶寬為40 MHz，3 dB帶寬10 MHz，則形狀因子為40/10=4。
阻抗：以歐姆為單位的濾波器源阻抗（輸入）和端接阻抗（輸出）。一般情況下，輸入阻抗和輸出阻抗相同。
相對(duì)衰減：測(cè)到的最小衰減點(diǎn)處衰減與理想抑制點(diǎn)的衰減的差異。通常，相對(duì)衰減以dBc為單位表示。
紋波（Ar):表示濾波器通頻帶平坦度的大小，一般以分貝表示。濾波器紋波的大小影響回波損耗。紋波越大，則回波損耗越嚴(yán)重，反之亦然。
抑制：同上。
工作溫度：濾波器設(shè)計(jì)的工作溫度范圍。
4．爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)合理的VSWR
常使用電壓駐波比（VSWR）表示濾波器的效率，為一比值，大小在1到無(wú)窮大之間，用來(lái)表示反射能量的大小。1表示所有能量都無(wú)損耗通過(guò)。大于1 的所有值都表示有部分能量被反射，即浪費(fèi)了。
但是，在實(shí)際的電子電路中，1:1的VSWR幾乎不可能達(dá)到。通常，比值1:5更實(shí)際一些。如果要求達(dá)到的值小于該值，則會(huì)降低效益成本比。
5．考慮功率處理能力
功率處理能力為以瓦為單位的額定平均功率，超過(guò)該值則濾波器性能會(huì)降低或者失效。此外還需要注意，濾波器的尺寸在某種程度上決定于其功率處理能力的要求。一般地，功率越大，則濾波器所占電路板面積越大。制造商，如Anatech，一直致力于使用新型算法來(lái)滿足這些挑戰(zhàn)性的利益需求，預(yù)先在算法上作規(guī)劃能節(jié)省成本。
6．同時(shí)、雙向通訊中的隔離因素
隔離是雙工器的一個(gè)特別重要的方面，從接收通道看時(shí)，隔離表示濾波器抑制傳輸頻率的能力，反之亦然。隔離越大，則兩者分得越開(kāi)，傳輸信號(hào)和接收信號(hào)就越干凈。
7．注意作出取舍
性能越高則成本越高。這正是為什么需要準(zhǔn)確定義的原因，因?yàn)闇?zhǔn)確定義可以減少不需要的極端情況，因而能夠避免不必要的費(fèi)用開(kāi)支。
除此之外，對(duì)其他因素也需要互相權(quán)衡。例如，抑制頻率與中心頻率越接近，則濾波器越復(fù)雜，這有時(shí)會(huì)造成插入損耗更大。
另外，濾波器性能越高通常使其占板面積越大。例如，從通頻帶到抑制的非常陡峭的轉(zhuǎn)變需要具備更多腔體和段數(shù)，使濾波器更復(fù)雜。但是如果電路板費(fèi)用很重要，則性能有時(shí)必須有所削減。
8．尋找可以在各種要求之間作出平衡的制造商
雖然濾波器銷售商與濾波器性能的固有特性無(wú)關(guān)，但選擇濾波器銷售商時(shí)，還是需要像關(guān)注元件本身要求一樣對(duì)此予以關(guān)注。一個(gè)優(yōu)秀而穩(wěn)定的專門生產(chǎn)濾波器的制造商，能時(shí)常生產(chǎn)出特定部件來(lái)彌補(bǔ)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷。
濾波器的發(fā)展展望以及中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)的機(jī)會(huì)
在未來(lái)，射頻濾波器市場(chǎng)還將迎來(lái)更多增長(zhǎng)。這是因?yàn)?，隨著4G的成熟和5G的來(lái)臨，手機(jī)支持的頻段數(shù)量正在上升。在 2012 年全球 3G 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) 3GPP 提出的 LTE R11 版本中，蜂窩通訊系統(tǒng)需要支持的頻段增加到 41 個(gè)。
根據(jù)射頻器件巨頭 Skyworks 預(yù)測(cè)，到 2020 年， 5G 應(yīng)用支持的頻段數(shù)量將實(shí)現(xiàn)翻番，新增 50 個(gè)以上通信頻段，全球 2G/3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)合計(jì)支持的頻段將達(dá)到 91 個(gè)以上。對(duì)于一個(gè)頻段而言，一般至少需要兩個(gè)濾波器，因此手機(jī)頻段數(shù)上升的直接結(jié)果就是手機(jī)中使用的射頻濾波器數(shù)量上升，而手機(jī)中濾波器的成本也在日漸上升。
無(wú)線頻段數(shù)量的演變（ 1999 年-2012 年）
手機(jī)中濾波器成本（美元）演變
雖然濾波器市場(chǎng)的前景可謂一片大好，但是濾波器仍然是射頻前端中最具挑戰(zhàn)性的模塊。目前，射頻前端中大部分器件的制造工藝都在漸漸成熟，如PA使用的GaAs，LNA和射頻開(kāi)關(guān)使用的RF SoI等等，整個(gè)射頻前端的集成度也在越來(lái)越高。
然而，濾波器的設(shè)計(jì)和制造仍然非常困難，成為提高整體射頻前端模塊集成度的短板。在未來(lái)，射頻前端的高度集成化是必然的發(fā)展方向，高度集成化的射頻前端模組可以實(shí)現(xiàn)更低的成本，更高的性能，最關(guān)鍵的是可以給系統(tǒng)集成商提供turn-key方案。
所以，誰(shuí)在濾波器的制造和集成上發(fā)展最快，誰(shuí)就能成為射頻前端模塊市場(chǎng)的主導(dǎo)者。與之相反，在濾波器領(lǐng)域技術(shù)落后的公司將在整個(gè)射頻前端市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中漸漸落后。
目前， SAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 TDK-EPCOS 及 Murata，兩者合計(jì)占有 60-70%市場(chǎng)份額； BAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 Avago 及 Qorvo，兩者占有 90%以上市場(chǎng)份額。
對(duì)于中國(guó)企業(yè)，在濾波器領(lǐng)域的技術(shù)積累仍顯薄弱，在 saw 濾波器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)主要廠商包括以中電 26 所、中電德清華瑩為代表的科研院所、無(wú)錫好達(dá)電子等廠商，科研院所的產(chǎn)品主要面向軍用通信終端設(shè)備。而濾波器技術(shù)目前仍是公司甚至國(guó)家的核心技術(shù)。去年，天津大學(xué)教授張浩在美國(guó)被指控竊取FBAR BAW濾波器方面的商業(yè)機(jī)密而被美國(guó)方面控制，可見(jiàn)其重視程度。
對(duì)于中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)，在濾波器行業(yè)必須踏踏實(shí)實(shí)進(jìn)行技術(shù)積累。首先，中國(guó)必須有SAW／BAW濾波器的高質(zhì)量加工廠。例如，對(duì)于SAW濾波器來(lái)說(shuō)，SAW濾波器的工作頻率由電極條寬度、壓電材料性質(zhì)所決定，電極條愈窄，頻率愈高。采用半導(dǎo)體0.2~0.35μm級(jí)的精細(xì)加工工藝，可制作出2~3GHz的 SAW濾波器。
因此曝光設(shè)備和光刻技術(shù)是制作高頻SAW濾波器的關(guān)鍵設(shè)備。另外利用傳播更快的聲表面波波動(dòng)模式或傳播速度更高的壓電材料是提高濾波器工作頻率的另一個(gè)手段。中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)需要在加工和材料技術(shù)上有自己的技術(shù)儲(chǔ)備才能制造出出色的濾波器。
其次，中國(guó)必須有SAW／BAW濾波器設(shè)計(jì)人才儲(chǔ)備。除了加工之外，如何設(shè)計(jì)SAW／BAW濾波器也是一個(gè)極其重要的因素。
目前中國(guó)SAW／BAW濾波器設(shè)計(jì)還有不少難點(diǎn)尚待突破，例如如何解決SAW濾波器的溫度漂移問(wèn)題（即在如何讓SAW濾波器在不同溫度時(shí)的頻率響應(yīng)盡量不變）。SAW／BAW濾波器的設(shè)計(jì)與制造工藝息息相關(guān)，設(shè)計(jì)必須緊密結(jié)合制造工藝進(jìn)行，設(shè)計(jì)者也必須對(duì)于制造工藝有扎實(shí)的理解。
在目前，濾波器設(shè)計(jì)最好的模式還是IDM，設(shè)計(jì)和制造在同一家公司進(jìn)行可以保證最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，而Fabless 的模式在濾波器技術(shù)發(fā)展尚不成熟的今天還不是一個(gè)最好的選擇。
最后，濾波器設(shè)計(jì)必須考慮集成。在未來(lái)，射頻前端集成化是必然的趨勢(shì)，一家只提供濾波器的廠商很難在市場(chǎng)上找到位置，這也是為什么之前RFMD和TriQuint合并的理由之一。
一個(gè)理想的濾波器設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最好是一個(gè)射頻前端公司的一個(gè)部門，而非自成一家，這樣才能提供一體化的射頻前端模塊方案。為了提高集成度，中國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)還必須大力發(fā)展封裝技術(shù)。
