『這個知識不太冷』探索 RF 濾波器技術（上）

『這個知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點，結合產業現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。

在過去十年中，移動無線數據快速增長，使得運營商愈加迫切地需要新頻段和新技術，以滿足用戶對無線數據容量的需求。這種需求不僅推動了無線技術的發展，也增加了對增強型射頻(RF)濾波器技術的需求，以幫助減少系統干擾，擴大RF覆蓋范圍，增強接收器性能，并提升共存特性。

本篇內容將介紹RF濾波器的工作原理，以及如今的應用中使用的各種技術版本。首先介紹關于濾波器的一些基本實情，以及它們帶來的益處。

有關RF濾波器的基礎知識

先來了解這些重要的濾波器術語和概念。

? 衰減：信號在通過RF濾波器后產生的振幅損失，通常以分貝(dB)為單位衡量。在濾波器通帶范圍以外引用時，它也被稱為抑制。

? 截斷：濾波器響應降低3dB時對應的點。

? 插入損耗：濾波器的目標通帶中的信號功率損耗。

? 隔離：將信號彼此隔開，以防止它們之間產生不必要的交互。例如，您可能會隔離發送信號和接收信號，以防它們產生交互。

? 通帶：信號通過，但幾乎無衰減的區域。

? Q因數：品質因數的簡稱，是指在每個振蕩周期，存儲能量與損失能量之間的比率。用于測量諧振電路的選擇性。

? 紋波：通帶中插入損耗的差異。

? 選擇性：對濾波器通過或抑制特定頻率（相對于中心頻率）的能力的測量。選擇性一般是指在與濾波器的中心頻率相差指定頻率的節點所發生的損耗。

? 阻帶：濾波器達到所需的帶外抑制（由所需的分貝數表示）時應對的頻段。

圖1：典型的RF濾波器響應

濾波器去除信號中多余的頻率成分，同時保持所需的頻率帶寬。圖2顯示四種基本的濾波器以不同方式接收或抑制信號：

? 低通濾波器：允許低于某個頻率的所有頻率通過，并阻止所有其他頻率（和高通相對）
? 高通濾波器：允許高于某個頻率的所有頻率通過，并阻止所有其他頻率（和低通相對）
? 帶通濾波器：允許介于兩個頻率之間的所有頻率通過，并阻止所有其他頻率（和帶阻相對）

? 頻段抑制濾波器（也稱為帶阻或陷波濾波器）：阻止介于兩個頻率之間的所有頻率，并允許所有其他頻率通過（和帶通相對）

圖2：基本的RF濾波器和響應

濾波器技術的比較

根據應用的不同，濾波器的結構也不同。RF濾波器技術最常見的差異在于尺寸、成本和性能。濾波器的結構是導致這些差異的主要因素。以下是一些RF濾波器結構示例：

? 聲學濾波器：一種濾波器，能夠滿足低頻率和高頻率（高達9GHz），在有些特殊情況下能夠滿足高達12GHz頻率。它體積小，提供極佳的性能和成本組合，以滿足復雜的濾波器要求。聲學濾波器是商用RF微波應用（例如手機、WiFi和全球定位系統GPS）中最常見的濾波器結構。

? 空腔濾波器：一種只用在基礎設施應用中的濾波器。它能在合理的成本下實現良好的性能，但體積比聲學濾波器大。

? 分立式電感-電容（LC）濾波器：一種結構成本低，性能和體積中等的濾波器。LC元件有時候以印制結構的形式集成在基板上，稱為集成式無源器件（IPD）。LC濾波器也可以通過分立式表貼器件（SMD）元件實現。

? 單體式陶瓷濾波器：一種成本和性能均高于多層陶瓷濾波器的濾波器。它的體積也更大，不適合用于移動應用。

? 多層陶瓷濾波器：一款中低成本的濾波器，性能與LC濾波器相當。其占用面積通常較為合理，但厚度更大，使其無法用于有些應用。

? 濾波器可以設計用于滿足多種要求。雖然它們使用相同的基本電路配置，但當電路被設計用于滿足不同的標準時，電路值會有所不同。比如，當需要滿足帶內紋波、以最快速度過渡到最終滾降、最高的帶外抑制等標準時，會導致不同的電路值。

了解壓電式聲學濾波器

對于如今的許多應用，首選的濾波器技術是壓電式濾波器。這些RF濾波器是體積小巧、經濟高效的解決方案，用于許多商業、軍事和科學應用中。

壓電效應是一種可逆的物理現象。晶體物質在受到機械應力時產生電流，反之亦然。當施加電場或電壓時，晶體會有微小幅度的拉伸。壓電材料將施加的機械應力轉化為電能，也能將電能轉化為機械應力。

市面上提供兩種聲學濾波器，分別是表面聲波(SAW)和體聲波(BAW)。

如圖3所示，SAW和BAW濾波器可以分為兩類：梯式和柵格式。梯式濾波器在通帶附近有很高的抑制，但帶外抑制性能很差。柵格式濾波器提供良好的帶外抑制，在通帶附近提供較低的抑制。而梯式-柵格式的混合配置在抑制和通帶抑制性能之間實現折衷。

圖3：SAW和BAW配置設計

SAW濾波器

SAW濾波器應用廣泛，非常成熟。它橫向傳播高頻波。如圖4所示，利用在石英、鉭酸鋰 (LiTaO3) 或鈮酸鋰 (LiNbO3) 等壓電基板上創建的交錯金屬叉指式換能器 (IDT)，將電輸入信號轉換為聲波。SAW濾波器速度慢，可用于適應極小器件中穿過IDT的許多波長。

圖4：基本的SAW RF濾波器

SAW的一個關鍵優勢在于，它能夠優化用于600-1900MHz的標準濾波器應用。它不僅能滿足600MHz的低5G頻段，而且在1、5、8、13低手機頻段以及GPS頻段下也表現出色，且經濟高效。

為了達到1900MHz以上，我們采用分層SAW技術，例如低損耗諧振器技術 (LRT)、薄膜 SAW (TF-SAW)、超SAW或性能極高 (IHP) 的SAW。這些技術使多層SAW能達到 2.7GHz，可用于中高頻段應用。高于2.7GHz時，SAW濾波器的選擇性下降。但是，在SAW濾波器的效用結束時，BAW濾波器（本章稍后會進行介紹）開始發揮作用。

溫度補償SAW

在諸多SAW技術創新中，有一種溫度補償SAW (TC-SAW)。TC-SAW使用熱補償層來避免熱漂移，如圖5所示。由于具有更高的溫度穩定性，其性能要優于標準SAW。

與傳統的基于SAW的濾波器和雙工器相比，TC-SAW器件集成在單晶鈮酸鋰上，且將 IDT 電極埋入二氧化硅 (SiO2) 層中，提高了TCF和品質因數。

圖5：SAW與TC-SAW比較

要在SAW上采用溫度系數，需要將叉指式換能器 (IDT) 與任何環境溫度變化隔離開來。要實現這種隔離，需要使用 SiO2 層覆蓋 SAW 結構，有時候還需要額外的氮化硅層，如圖5右側所示。

TC-SAW改善濾波器性能，以應對LTE和5G嚴格的頻段分配，以及上行鏈路和高功率用戶設備 (HPUE) 的載波聚合 (CA)。這些改善包括更低的插入損耗、更陡的裙邊特性、溫度穩定性、更高的電源耐久性、更寬的帶寬頻率范圍、更高的線性度、更小的尺寸和集成。為了實現這些特性，需要使用更高的Q因數和較小的頻率溫度系數 (TCF)。

多層SAW

在傳統的SAW基板結構中，聲波沿表面傳播，在電極下達到幾個波長，體聲波輻射模式則是出現在基板深處。這會導致體聲波泄漏，使Q因數、TCF和耦合降低。

降低這種泄漏的方法之一是創建一個新的多層結構或是創建TC-SAW的變型，如圖6所示。在壓電層和功能層表面以下增加這個額外的SiO2層會提供一個重要益處：將在表面傳播的SAW引入壓電層和功能層。這會將聲學能量限制在表面附近，從而改善TCF和Q因數。

圖6：多層SAW與SAW的比較

市面上有幾種類型的SAW濾波器。它們被稱為SAW、TC-SAW和多層SAW，也被稱為引導式SAW、LRT-SAW、TF-SAW、ultra-SAW和IHP-SAW。它們都屬于SAW種類，在基板和功能層之間增加一層，例如SiO2，如圖6所示。在本書中，我們將這種類型稱為SAW。

多層SAW的性能要高于標準SAW濾波器。在有些頻段中，多層SAW的性能能媲美BAW濾波器，接下來我們會討論這一點。

多層SAW技術以分布在隔離器上的壓電材料為基礎。在多層SAW中，熱補償機制直接來自基板，而不是源自電極表面。

下表比較了各種聲學SAW RF濾波器技術的不同特點。

BAW濾波器

BAW可用于替代SAW。BAW濾波器支持1.4至9GHz頻率范圍。

除了結構之外，BAW和SAW的主要區別在于濾波器賴以使用的壓電材料。BAW濾波器使用多晶氮化鋁，具有更高的耦合系數和更高的波速。

BAW濾波器的聲學能量密度非常高，且其結構能夠很好地捕捉聲波，因此能夠實現極低的損耗。此外，相比在微波頻率下使用的其他尺寸合適的濾波器類型，它們可實現的Q因數更高。如此可以實現出色的抑制和插入損耗性能，在關鍵的帶通邊沿也是如此。

BAW濾波器提供更低的插入損耗，有助于延長智能手機應用中的電池使用壽命。BAW還適用于上行鏈路和下行鏈路之間分隔很短的應用，以及在緊密排列的相鄰頻段中對衰減要求很高的應用。

與SAW濾波器不同，BAW濾波器中的聲波是垂直傳播的。如圖7所示，諧振器使用石英晶體作為基板。石英頂部和底部兩側的金屬路徑激發聲波，聲波從頂部反彈到底部表面，形成駐波。平板的厚度和電極的質量決定了諧振發生的頻率。在BAW濾波器有效的高頻率下，壓電層必須只有幾微米厚，這就要求諧振器結構是以載波基板為底，利用薄膜淀積和精密加工構成。

圖7：基本的BAW RF濾波器

在這種類型的濾波器中，為了防止聲波逃逸到基板中，會堆疊剛度和密度交替變化的薄層來創建布拉格聲學反射器。構建出的器件被稱為固載諧振器(SMR) BAW，如圖7所示。布拉格反射器由多層交替材料構成，這些材料的折射率各不相同。

市面上主要有兩種類型的BAW濾波器，如圖8所示：固載諧振器(SMR) BAW和多晶薄膜體聲波諧振器 (FBAR)。

圖8：BAW濾波器技術的截面比較

從技術角度來看，最大區別在于基板，以及基板和底層電極之間的空腔。根據下表，可以看出堆疊層BAW的溫度補償性能最佳。

有些公司會使用自己的品牌名稱來指代FBAR或BAW技術，但它們都歸屬于BAW或FBAR這兩類技術。例如，XBAW就是另一種FBAR，超BAW是另一種BAW。XBAR是一種剪波BAW技術，具有場橫向耦合的特性；但是，這項技術還處于研發階段，尚未投產……

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本文轉載自：Qorvo半導體