【導(dǎo)讀】在過(guò)去十年中，移動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)快速增長(zhǎng)，使得運(yùn)營(yíng)商愈加迫切地需要新頻段和新技術(shù)，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)容量的需求。這種需求不僅推動(dòng)了無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，也增加了對(duì)增強(qiáng)型射頻(RF)濾波器技術(shù)的需求，以幫助減少系統(tǒng)干擾，擴(kuò)大RF覆蓋范圍，增強(qiáng)接收器性能，并提升共存特性。
『這個(gè)知識(shí)不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識(shí)的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀，以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。
在過(guò)去十年中，移動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)快速增長(zhǎng)，使得運(yùn)營(yíng)商愈加迫切地需要新頻段和新技術(shù)，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)容量的需求。這種需求不僅推動(dòng)了無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，也增加了對(duì)增強(qiáng)型射頻(RF)濾波器技術(shù)的需求，以幫助減少系統(tǒng)干擾，擴(kuò)大RF覆蓋范圍，增強(qiáng)接收器性能，并提升共存特性。
本篇內(nèi)容將介紹RF濾波器的工作原理，以及如今的應(yīng)用中使用的各種技術(shù)版本。首先介紹關(guān)于濾波器的一些基本實(shí)情，以及它們帶來(lái)的益處。
有關(guān)RF濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)
先來(lái)了解這些重要的濾波器術(shù)語(yǔ)和概念。
? 衰減：信號(hào)在通過(guò)RF濾波器后產(chǎn)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(shí)，它也被稱(chēng)為抑制。
? 截?cái)啵簽V波器響應(yīng)降低3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。
? 插入損耗：濾波器的目標(biāo)通帶中的信號(hào)功率損耗。
? 隔離：將信號(hào)彼此隔開(kāi)，以防止它們之間產(chǎn)生不必要的交互。例如，您可能會(huì)隔離發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)，以防它們產(chǎn)生交互。
? 通帶：信號(hào)通過(guò)，但幾乎無(wú)衰減的區(qū)域。
? Q因數(shù)：品質(zhì)因數(shù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指在每個(gè)振蕩周期，存儲(chǔ)能量與損失能量之間的比率。用于測(cè)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(duì)濾波器通過(guò)或抑制特定頻率（相對(duì)于中心頻率）的能力的測(cè)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(jié)點(diǎn)所發(fā)生的損耗。
? 阻帶：濾波器達(dá)到所需的帶外抑制（由所需的分貝數(shù)表示）時(shí)應(yīng)對(duì)的頻段。
圖1：典型的RF濾波器響應(yīng)
濾波器去除信號(hào)中多余的頻率成分，同時(shí)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(hào)：
? 低通濾波器：允許低于某個(gè)頻率的所有頻率通過(guò)，并阻止所有其他頻率（和高通相對(duì)）
? 高通濾波器：允許高于某個(gè)頻率的所有頻率通過(guò)，并阻止所有其他頻率（和低通相對(duì)）
? 帶通濾波器：允許介于兩個(gè)頻率之間的所有頻率通過(guò)，并阻止所有其他頻率（和帶阻相對(duì)）
? 頻段抑制濾波器（也稱(chēng)為帶阻或陷波濾波器）：阻止介于兩個(gè)頻率之間的所有頻率，并允許所有其他頻率通過(guò)（和帶通相對(duì)）
圖2：基本的RF濾波器和響應(yīng)
濾波器技術(shù)的比較
根據(jù)應(yīng)用的不同，濾波器的結(jié)構(gòu)也不同。RF濾波器技術(shù)最常見(jiàn)的差異在于尺寸、成本和性能。濾波器的結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致這些差異的主要因素。以下是一些RF濾波器結(jié)構(gòu)示例：
? 聲學(xué)濾波器：一種濾波器，能夠滿(mǎn)足低頻率和高頻率（高達(dá)9GHz），在有些特殊情況下能夠滿(mǎn)足高達(dá)12GHz頻率。它體積小，提供極佳的性能和成本組合，以滿(mǎn)足復(fù)雜的濾波器要求。聲學(xué)濾波器是商用RF微波應(yīng)用（例如手機(jī)、WiFi和全球定位系統(tǒng)GPS）中最常見(jiàn)的濾波器結(jié)構(gòu)。
? 空腔濾波器：一種只用在基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的濾波器。它能在合理的成本下實(shí)現(xiàn)良好的性能，但體積比聲學(xué)濾波器大。
? 分立式電感-電容（LC）濾波器：一種結(jié)構(gòu)成本低，性能和體積中等的濾波器。LC元件有時(shí)候以印制結(jié)構(gòu)的形式集成在基板上，稱(chēng)為集成式無(wú)源器件（IPD）。LC濾波器也可以通過(guò)分立式表貼器件（SMD）元件實(shí)現(xiàn)。
? 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(dòng)應(yīng)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(dāng)。其占用面積通常較為合理，但厚度更大，使其無(wú)法用于有些應(yīng)用。
? 濾波器可以設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足多種要求。雖然它們使用相同的基本電路配置，但當(dāng)電路被設(shè)計(jì)用于滿(mǎn)足不同的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電路值會(huì)有所不同。比如，當(dāng)需要滿(mǎn)足帶內(nèi)紋波、以最快速度過(guò)渡到最終滾降、最高的帶外抑制等標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不同的電路值。
了解壓電式聲學(xué)濾波器
對(duì)于如今的許多應(yīng)用，首選的濾波器技術(shù)是壓電式濾波器。這些RF濾波器是體積小巧、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，用于許多商業(yè)、軍事和科學(xué)應(yīng)用中。
壓電效應(yīng)是一種可逆的物理現(xiàn)象。晶體物質(zhì)在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生電流，反之亦然。當(dāng)施加電場(chǎng)或電壓時(shí)，晶體會(huì)有微小幅度的拉伸。壓電材料將施加的機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電能，也能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)力。
市面上提供兩種聲學(xué)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(lèi)：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(shí)現(xiàn)折衷。
圖3：SAW和BAW配置設(shè)計(jì)
SAW濾波器
SAW濾波器應(yīng)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(chuàng)建的交錯(cuò)金屬叉指式換能器 (IDT)，將電輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波。SAW濾波器速度慢，可用于適應(yīng)極小器件中穿過(guò)IDT的許多波長(zhǎng)。
圖4：基本的SAW RF濾波器
SAW的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它能夠優(yōu)化用于600-1900MHz的標(biāo)準(zhǔn)濾波器應(yīng)用。它不僅能滿(mǎn)足600MHz的低5G頻段，而且在1、5、8、13低手機(jī)頻段以及GPS頻段下也表現(xiàn)出色，且經(jīng)濟(jì)高效。
為了達(dá)到1900MHz以上，我們采用分層SAW技術(shù)，例如低損耗諧振器技術(shù) (LRT)、薄膜 SAW (TF-SAW)、超SAW或性能極高 (IHP) 的SAW。這些技術(shù)使多層SAW能達(dá)到 2.7GHz，可用于中高頻段應(yīng)用。高于2.7GHz時(shí)，SAW濾波器的選擇性下降。但是，在SAW濾波器的效用結(jié)束時(shí)，BAW濾波器（本章稍后會(huì)進(jìn)行介紹）開(kāi)始發(fā)揮作用。
溫度補(bǔ)償SAW
在諸多SAW技術(shù)創(chuàng)新中，有一種溫度補(bǔ)償SAW (TC-SAW)。TC-SAW使用熱補(bǔ)償層來(lái)避免熱漂移，如圖5所示。由于具有更高的溫度穩(wěn)定性，其性能要優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)SAW。
與傳統(tǒng)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(zhì)因數(shù)。
圖5：SAW與TC-SAW比較
要在SAW上采用溫度系數(shù)，需要將叉指式換能器 (IDT) 與任何環(huán)境溫度變化隔離開(kāi)來(lái)。要實(shí)現(xiàn)這種隔離，需要使用 SiO2 層覆蓋 SAW 結(jié)構(gòu)，有時(shí)候還需要額外的氮化硅層，如圖5右側(cè)所示。
TC-SAW改善濾波器性能，以應(yīng)對(duì)LTE和5G嚴(yán)格的頻段分配，以及上行鏈路和高功率用戶(hù)設(shè)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(wěn)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(shí)現(xiàn)這些特性，需要使用更高的Q因數(shù)和較小的頻率溫度系數(shù) (TCF)。
多層SAW
在傳統(tǒng)的SAW基板結(jié)構(gòu)中，聲波沿表面?zhèn)鞑?，在電極下達(dá)到幾個(gè)波長(zhǎng)，體聲波輻射模式則是出現(xiàn)在基板深處。這會(huì)導(dǎo)致體聲波泄漏，使Q因數(shù)、TCF和耦合降低。
降低這種泄漏的方法之一是創(chuàng)建一個(gè)新的多層結(jié)構(gòu)或是創(chuàng)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(gè)額外的SiO2層會(huì)提供一個(gè)重要益處：將在表面?zhèn)鞑サ腟AW引入壓電層和功能層。這會(huì)將聲學(xué)能量限制在表面附近，從而改善TCF和Q因數(shù)。
圖6：多層SAW與SAW的比較
市面上有幾種類(lèi)型的SAW濾波器。它們被稱(chēng)為SAW、TC-SAW和多層SAW，也被稱(chēng)為引導(dǎo)式SAW、LRT-SAW、TF-SAW、ultra-SAW和IHP-SAW。它們都屬于SAW種類(lèi)，在基板和功能層之間增加一層，例如SiO2，如圖6所示。在本書(shū)中，我們將這種類(lèi)型稱(chēng)為SAW。
多層SAW的性能要高于標(biāo)準(zhǔn)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(lái)我們會(huì)討論這一點(diǎn)。
多層SAW技術(shù)以分布在隔離器上的壓電材料為基礎(chǔ)。在多層SAW中，熱補(bǔ)償機(jī)制直接來(lái)自基板，而不是源自電極表面。
下表比較了各種聲學(xué)SAW RF濾波器技術(shù)的不同特點(diǎn)。
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(jié)構(gòu)之外，BAW和SAW的主要區(qū)別在于濾波器賴(lài)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(shù)和更高的波速。
BAW濾波器的聲學(xué)能量密度非常高，且其結(jié)構(gòu)能夠很好地捕捉聲波，因此能夠?qū)崿F(xiàn)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(lèi)型，它們可實(shí)現(xiàn)的Q因數(shù)更高。如此可以實(shí)現(xiàn)出色的抑制和插入損耗性能，在關(guān)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(zhǎng)智能手機(jī)應(yīng)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(yīng)用，以及在緊密排列的相鄰頻段中對(duì)衰減要求很高的應(yīng)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?jī)蓚?cè)的金屬路徑激發(fā)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(zhì)量決定了諧振發(fā)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(jié)構(gòu)是以載波基板為底，利用薄膜淀積和精密加工構(gòu)成。
圖7：基本的BAW RF濾波器
在這種類(lèi)型的濾波器中，為了防止聲波逃逸到基板中，會(huì)堆疊剛度和密度交替變化的薄層來(lái)創(chuàng)建布拉格聲學(xué)反射器。構(gòu)建出的器件被稱(chēng)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(gòu)成，這些材料的折射率各不相同。
市面上主要有兩種類(lèi)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(shù)的截面比較
從技術(shù)角度來(lái)看，最大區(qū)別在于基板，以及基板和底層電極之間的空腔。根據(jù)下表，可以看出堆疊層BAW的溫度補(bǔ)償性能最佳。
有些公司會(huì)使用自己的品牌名稱(chēng)來(lái)指代FBAR或BAW技術(shù)，但它們都?xì)w屬于BAW或FBAR這兩類(lèi)技術(shù)。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(shù)，具有場(chǎng)橫向耦合的特性；但是，這項(xiàng)技術(shù)還處于研發(fā)階段，尚未投產(chǎn)……
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