【導讀】在zai過guo去qu十shi年nian中zhong，移yi動dong無wu線xian數shu據ju快kuai速su增zeng長chang，使shi得de運yun營ying商shang愈yu加jia迫po切qie地di需xu要yao新xin頻pin段duan和he新xin技ji術shu，以yi滿man足zu用yong戶hu對dui無wu線xian數shu據ju容rong量liang的de需xu求qiu。這zhe種zhong需xu求qiu不bu僅jin推tui動dong了le無wu線xian技ji術shu的de發fa展zhan，也ye增zeng加jia了le對dui增zeng強qiang型xing射she頻pin(RF)濾波器技術的需求
，以幫助減少係統幹擾，擴大RF覆蓋範圍，增強接收器性能，並提升共存特性。

『這個知識不太冷』係列，旨在幫助小夥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zai過guo去qu十shi年nian中zhong，移yi動dong無wu線xian數shu據ju快kuai速su增zeng長chang
，使shi得de運yun營ying商shang愈yu加jia迫po切qie地di需xu要yao新xin頻pin段duan和he新xin技ji術shu，以yi滿man足zu用yong戶hu對dui無wu線xian數shu據ju容rong量liang的de需xu求qiu。這zhe種zhong需xu求qiu不bu僅jin推tui動dong了le無wu線xian技ji術shu的de發fa展zhan，也ye增zeng加jia了le對dui增zeng強qiang型xing射she頻pin(RF)濾波器技術的需求
，以幫助減少係統幹擾，擴大RF覆蓋範圍，增強接收器性能，並提升共存特性。

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。首先介紹關於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濾波器後產生的振幅損失
，通常以分貝(dB)為單位衡量。在濾波器通帶範圍以外引用時，它也被稱為抑製。

» 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。用於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：對濾波器通過或抑製特定頻率（相對於中心頻率）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製（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餘的頻率成分，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製信號：

» 低通濾波器：允許低於某個頻率的所有頻率通過，並阻止所有其他頻率（和高通相對）
» 高通濾波器：允許高於某個頻率的所有頻率通過，並阻止所有其他頻率（和低通相對）
» 帶通濾波器：允許介於兩個頻率之間的所有頻率通過，並阻止所有其他頻率（和帶阻相對）

» 頻段抑製濾波器（也稱為帶阻或陷波濾波器）：阻止介於兩個頻率之間的所有頻率

，並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於尺寸
、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，以滿足複雜的濾波器要求。聲學濾波器是商用RF微波應用（例如手機、WiFi和全球定位係統GPS）中最常見的濾波器結構。

» 空腔濾波器：一種隻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元件有時候以印製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於多層陶瓷濾波器的濾波器。它的體積也更大，不適合用於移動應用。

» 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。其占用麵積通常較為合理，但厚度更大，使其無法用於有些應用。

» 濾lv波bo器qi可ke以yi設she計ji用yong於yu滿man足zu多duo種zhong要yao求qiu。雖sui然ran它ta們men使shi用yong相xiang同tong的de基ji本ben電dian路lu配pei置zhi
，但dan當dang電dian路lu被bei設she計ji用yong於yu滿man足zu不bu同tong的de標biao準zhun時shi，電dian路lu值zhi會hui有you所suo不bu同tong。比bi如ru，當dang需xu要yao滿man足zu帶dai內nei紋wen波bo
、以最快速度過渡到最終滾降
、最高的帶外抑製等標準時，會導致不同的電路值。

了解壓電式聲學濾波器

對於如今的許多應用
，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，用於許多商業
、軍事和科學應用中。

壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)逆(ni)的(de)物(wu)理(li)現(xian)象(xiang)。晶(jing)體(ti)物(wu)質(zhi)在(zai)受(shou)到(dao)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)時(shi)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)，反(fan)之(zhi)亦(yi)然(ran)。當(dang)施(shi)加(jia)電(dian)場(chang)或(huo)電(dian)壓(ya)時(shi)，晶(jing)體(ti)會(hui)有(you)微(wei)小(xiao)幅(fu)度(du)的(de)拉(la)伸(shen)。壓(ya)電(dian)材(cai)料(liao)將(jiang)施(shi)加(jia)的(de)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)能(neng)，也(ye)能(neng)將(jiang)電(dian)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)。

市麵上提供兩種聲學濾波器
，分別是表麵聲波(SAW)和體聲波(BAW)。

如圖3所示，SAW和BAW濾波器可以分為兩類：tishihezhageshi。tishilvboqizaitongdaifujinyouhengaodeyizhi，dandaiwaiyizhixingnenghencha。zhageshilvboqitigonglianghaodedaiwaiyizhi，zaitongdaifujintigongjiaodideyizhi。ertishi-柵格式的混合配置在抑製和通帶抑製性能之間實現折衷。

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) 或铌酸鋰 (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，可用於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的一個關鍵優勢在於，它能夠優化用於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，可用於中高頻段應用。高於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（本章稍後會進行介紹）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。由於具有更高的溫度穩定性，其性能要優於標準SAW。

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

圖5：SAW與TC-SAW比較

要在SAW上采用溫度係數
，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矽層
，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、更寬的帶寬頻率範圍、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係數 (TCF)。

多層SAW

在傳統的SAW基板結構中
，聲波沿表麵傳播，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麵以下增加這個額外的SiO2層會提供一個重要益處：將在表麵傳播的SAW引入壓電層和功能層。這會將聲學能量限製在表麵附近，從而改善TCF和Q因數。

圖6：多層SAW與SAW的比較

市麵上有幾種類型的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。它們都屬於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的性能要高於標準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
，熱補償機製直接來自基板，而不是源自電極表麵。

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可用於替代SAW。BAW濾波器支持1.4至9GHz頻率範圍。

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

BAW濾lv波bo器qi的de聲sheng學xue能neng量liang密mi度du非fei常chang高gao，且qie其qi結jie構gou能neng夠gou很hen好hao地di捕bu捉zhuo聲sheng波bo，因yin此ci能neng夠gou實shi現xian極ji低di的de損sun耗hao。此ci外wai，相xiang比bi在zai微wei波bo頻pin率lv下xia使shi用yong的de其qi他ta尺chi寸cun合he適shi的de濾lv波bo器qi類lei型xing
，它ta們men可ke實shi現xian的deQ因數更高。如此可以實現出色的抑製和插入損耗性能，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
，有助於延長智能手機應用中的電池使用壽命。BAW還適用於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suo示shi
，諧xie振zhen器qi使shi用yong石shi英ying晶jing體ti作zuo為wei基ji板ban。石shi英ying頂ding部bu和he底di部bu兩liang側ce的de金jin屬shu路lu徑jing激ji發fa聲sheng波bo

，聲sheng波bo從cong頂ding部bu反fan彈dan到dao底di部bu表biao麵mian，形xing成cheng駐zhu波bo。平ping板ban的de厚hou度du和he電dian極ji的de質zhi量liang決jue定ding了le諧xie振zhen發fa生sheng的de頻pin率lv。在zaiBAW濾波器有效的高頻率下
，壓電層必須隻有幾微米厚，這就要求諧振器結構是以載波基板為底

，利用薄膜澱積和精密加工構成。

圖7：基本的BAW RF濾波器

zaizhezhongleixingdelvboqizhong
，weilefangzhishengbotaoyidaojibanzhong，huiduidiegangduhemidujiaotibianhuadebocenglaichuangjianbulageshengxuefansheqi。goujianchudeqijianbeichengweiguzaixiezhenqi(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。

市麵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濾波器技術的截麵比較

從技術角度來看
，最大區別在於基板，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

，但它們都歸屬於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，這項技術還處於研發階段，尚未投產……

限於篇幅
，更多有關濾波器的溫度係數、Q因數、耦合係數等精彩內容將在《探索 RF 濾波器技術（下）》繼續探討，一定要留意我們的推文哦~

本文轉載自：Qorvo半導體

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