隨著移動設(shè)備功能越來越強大，支持的網(wǎng)絡(luò)頻段越來越多，射頻前端模塊成了移動設(shè)備中不可缺少的一部分。舉例來說，一款較新的手機至少需要支持2G，3G，4G以及WiFi，GPS等網(wǎng)絡(luò)制式，而每一個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的研究報告，2016年在智能手機增長萎靡（9%）的情況下，射頻前端模塊的增長率仍達到了17%。而在射頻前端模塊中，未來發(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
隨著無線通訊應(yīng)用的發(fā)展，人們對于數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也越來越高。在2G時代，只有一小部分人會使用手機上網(wǎng)下載鈴聲或瀏覽wap版網(wǎng)頁，需要的數(shù)據(jù)率大約在1KB／s。在3G時代，隨著智能手機的普及，使用運營商網(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時代的今天，直播等應(yīng)用更是將手機通訊的帶寬需求推向了一個新的高度，需要的數(shù)據(jù)率達到了1MB／s。
與數(shù)據(jù)率上升相對應(yīng)的是頻譜資源的高利用率以及通訊協(xié)議的復(fù)雜化。這兩個問題是相輔相成：由于頻譜資源有限，為了滿足人們對數(shù)據(jù)率的需求，必須充分利用頻譜，因此一部手機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，為了滿足數(shù)據(jù)率的需求，從4G開始還使用了載波聚合技術(shù)，使得一臺設(shè)備可以同時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)議變得越來越復(fù)雜，因此對于射頻系統(tǒng)的各種性能也提出了嚴格的需求。
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)議對于信噪比的需求。如前所述，隨著通信協(xié)議越來越復(fù)雜，對于通訊協(xié)議對于頻帶內(nèi)外的需求也越來越高，這也使得濾波器的設(shè)計越來愈有挑戰(zhàn)性。另外，隨著手機需要支持的頻帶數(shù)目不斷上升，由于每一個頻帶有需要有自己的濾波器，因此一款手機中需要用到的濾波器數(shù)量也在不斷上升。目前，一款4G手機中的需要用到的濾波器數(shù)量可達30余個。
隨著射頻濾波器變得越來越重要，各大射頻前端廠商也在積極布局濾波器市場。各大行業(yè)研究結(jié)構(gòu)也看好射頻濾波器市場未來的發(fā)展。Technavio在研究報告中指出，射頻濾波器市場2016-2020的年復(fù)合增長率可達15%，并且已經(jīng)超越PA成為整個射頻前端模塊市場中最重要的組成部分。
濾波器技術(shù)簡介
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越小，因此需要非常好選擇性，讓通帶內(nèi)的信號通過并阻擋通帶外的信號。Q越大，則濾波器可以實現(xiàn)越窄的通帶帶寬，也就是說可以實現(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被濾波器的衰減，即信號功率損耗。插入損耗有1dB，則信號功率被衰減20%；當(dāng)插入損耗到達3dB時，則信號功率被衰減了50%！在4G時代，信號功率放大并不簡單，如果又有許多功率被浪費在濾波器上，則PA／LNA設(shè)計就更難了。
目前射頻濾波器最主流的實現(xiàn)方式是SAW和BAW。SAW是聲表面濾波器，利用壓電效應(yīng) 。當(dāng)對晶體施以電壓，晶體將發(fā)生機械形變，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。當(dāng)這種晶體被機械壓縮或展延時，機械能又轉(zhuǎn)換為電能。在晶體結(jié)構(gòu)的兩面形成電荷，使電流流過端子和/或形成端子間的電壓。在固態(tài)材料中，交替的機械形變會產(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1.5GHz時，SAW的Q值開始下降，到2.5GHz時，SAW的選擇性已經(jīng)只能用在一些要求比較低的場合。然而，目前的無線通訊協(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)的金屬對聲波實施激勵，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，因此，要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術(shù)實現(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)通過堆疊不同材質(zhì)的薄層形成一個反射器，而FBAR技術(shù)則在有冤屈下方蝕刻出空腔以實現(xiàn)懸浮膜。
BAW濾波器
BAW濾波器在高頻段可實現(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)今無線領(lǐng)域，激烈的擴展帶寬的競爭迫使人們要更加關(guān)注濾波器的性能。如果對濾波器參數(shù)確定不準確，最終會導(dǎo)致頻率沖突，反過來使設(shè)計組又得處理串?dāng)_、掉線、數(shù)據(jù)丟失以及網(wǎng)絡(luò)連接中斷的問題。
濾波器定義不完整或不準確這一問題產(chǎn)生的部分原因是目前電子市場對數(shù)字電子很熱衷。根據(jù)某些統(tǒng)計，80%～90%的新電子設(shè)計工程師都是軟件和數(shù)字方面的。知識缺口就在于此，因為不管傳輸?shù)男畔⑹欠袷菙?shù)字形式，當(dāng)信息通過無線電或微波傳輸時，載波信號總是遵守電磁學(xué)物理定律。
所幸的是，對濾波器性能參數(shù)的某些重要基礎(chǔ)進行快速重溫，可幫助工程師正確找出滿足特定應(yīng)用的濾波器。開始時如果選擇正確，則能節(jié)省時間和金錢，在訂購這些必不可少的元件時就能確保價廉物美。
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。每一個特定形狀都決定了哪些頻率可以通過，哪些不能通過。
無疑，這一組中最常見的是帶通濾波器。所有工程師都知道，帶通濾波器允許兩個特定頻率之間的信號通過，對其它頻率的信號進行抑制。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衰減點定義通頻帶的方法。
2．不要追求不切實際的濾波器特性
工程師有時會提出如下的要求：“我需要通頻帶為1,490～1,510MHz，1,511 MHz處的抑制大小為70 dB?！边@一要求無法實現(xiàn)。實際上，抑制是逐漸變化的，不是90°急劇下降，更實際的參數(shù)為偏離中心頻率約10%。
另一個情況是要求濾波器例如“抑制1,960 MHz頻率以上的所有成分。”這時，工程師必須意識到不可能衰減該抑制頻率直到無限高頻率之間的所有頻率。必須設(shè)置某些邊界。更現(xiàn)實的方法或許是，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，工程師給出一個需要“一個100 MHz帶通濾波器”的簡短要求，這一要求顯然信息量太少了。濾波器供應(yīng)商實在難以根據(jù)這么點信息就簽單。
給出所有必要的信息從詳細給出所有頻率參數(shù)開始，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3dB點之間的中點，一般用兩個3 dB點的算術(shù)平均來表示。
截止頻率（Fc):為低通濾波器或高通濾波器的通帶到阻帶開始的轉(zhuǎn)換點，該轉(zhuǎn)換點一般為3 dB點。
抑制頻率：信號衰減某些特定值或值的集合的特定頻率或頻率組。有時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)過的衰減稱為抑制。
濾波器類型決定了特定頻率。對帶通和帶阻濾波器，特定頻率為中心頻率。對低通和高通濾波器，特定頻率為截止頻率。為了完整起見，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）通道時為抑制傳輸（Tx）頻率的能力，考慮傳輸（Tx）頻率時為抑制接收（Rx）頻率的能力，稱為Rx/Tx隔離。隔離度越高，濾波器能夠?qū)x信號與Tx信號隔離開的能力就越強，反之亦然。其結(jié)果是傳輸和接收信號都更加干凈。
插入損耗（IL)：表示器件中功率損耗的一個值，IL=10Log(Pl/Pin), 與頻率無關(guān)，其中Pl為負載功率，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)。因為線性函數(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。
相對衰減：測到的最小衰減點處衰減與理想抑制點的衰減的差異。通常，相對衰減以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，則回波損耗越嚴重，反之亦然。
抑制：同上。
工作溫度：濾波器設(shè)計的工作溫度范圍。
4．爭取實現(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到無窮大之間，用來表示反射能量的大小。1表示所有能量都無損耗通過。大于1 的所有值都表示有部分能量被反射，即浪費了。
但是，在實際的電子電路中，1:1的VSWR幾乎不可能達到。通常，比值1:5更實際一些。如果要求達到的值小于該值，則會降低效益成本比。
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，超過該值則濾波器性能會降低或者失效。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、雙向通訊中的隔離因素
隔離是雙工器的一個特別重要的方面，從接收通道看時，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，傳輸信號和接收信號就越干凈。
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確定義的原因，因為準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用開支。
除此之外，對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，這有時會造成插入損耗更大。
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。但是如果電路板費用很重要，則性能有時必須有所削減。
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關(guān)，但選擇濾波器銷售商時，還是需要像關(guān)注元件本身要求一樣對此予以關(guān)注。一個優(yōu)秀而穩(wěn)定的專門生產(chǎn)濾波器的制造商，能時常生產(chǎn)出特定部件來彌補產(chǎn)品設(shè)計缺陷。
濾波器的發(fā)展展望以及中國半導(dǎo)體業(yè)的機會
在未來，射頻濾波器市場還將迎來更多增長。這是因為，隨著4G的成熟和5G的來臨，手機支持的頻段數(shù)量正在上升。在 2012 年全球 3G 標(biāo)準協(xié)會 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。
根據(jù)射頻器件巨頭 Skyworks 預(yù)測，到 2020 年， 5G 應(yīng)用支持的頻段數(shù)量將實現(xiàn)翻番，新增 50 個以上通信頻段，全球 2G/3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)合計支持的頻段將達到 91 個以上。對于一個頻段而言，一般至少需要兩個濾波器，因此手機頻段數(shù)上升的直接結(jié)果就是手機中使用的射頻濾波器數(shù)量上升，而手機中濾波器的成本也在日漸上升。
無線頻段數(shù)量的演變（ 1999 年-2012 年）
手機中濾波器成本（美元）演變
雖然濾波器市場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和射頻開關(guān)使用的RF SoI等等，整個射頻前端的集成度也在越來越高。
然而，濾波器的設(shè)計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，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，誰在濾波器的制造和集成上發(fā)展最快，誰就能成為射頻前端模塊市場的主導(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射頻前端市場的競爭中漸漸落后。
目前， SAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 TDK-EPCOS 及 Murata，兩者合計占有 60-70%市場份額； BAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 Avago 及 Qorvo，兩者占有 90%以上市場份額。
對于中國企業(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、無錫好達電子等廠商，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家的核心技術(shù)。去年，天津大學(xué)教授張浩在美國被指控竊取FBAR BAW濾波器方面的商業(yè)機密而被美國方面控制，可見其重視程度。
對于中國企業(yè)來說，在濾波器行業(yè)必須踏踏實實進行技術(shù)積累。首先，中國必須有SAW／BAW濾波器的高質(zhì)量加工廠。例如，對于SAW濾波器來說，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級的精細加工工藝，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手段。中國半導(dǎo)體企業(yè)需要在加工和材料技術(shù)上有自己的技術(shù)儲備才能制造出出色的濾波器。
其次，中國必須有SAW／BAW濾波器設(shè)計人才儲備。除了加工之外，如何設(shè)計SAW／BAW濾波器也是一個極其重要的因素。
目前中國SAW／BAW濾波器設(shè)計還有不少難點尚待突破，例如如何解決SAW濾波器的溫度漂移問題（即在如何讓SAW濾波器在不同溫度時的頻率響應(yīng)盡量不變）。SAW／BAW濾波器的設(shè)計與制造工藝息息相關(guān)，設(shè)計必須緊密結(jié)合制造工藝進行，設(shè)計者也必須對于制造工藝有扎實的理解。
在目前，濾波器設(shè)計最好的模式還是IDM，設(shè)計和制造在同一家公司進行可以保證最優(yōu)設(shè)計結(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最好的選擇。
最后，濾波器設(shè)計必須考慮集成。在未來，射頻前端集成化是必然的趨勢，一家只提供濾波器的廠商很難在市場上找到位置，這也是為什么之前RFMD和TriQuint合并的理由之一。
一個理想的濾波器設(shè)計團隊最好是一個射頻前端公司的一個部門，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，中國半導(dǎo)體企業(yè)還必須大力發(fā)展封裝技術(shù)。
