濾波器在各種領(lǐng)域應(yīng)用及行業(yè)市場發(fā)展分析[圖]

    濾波器一直是射頻信號處理的重要部件，并且隨著通信時代的更迭用量在不斷增加。3G網(wǎng)絡(luò)的通信頻段有5個，而根據(jù)3GPP的更新，4GLTE已經(jīng)增加到了52個波段，5G的標(biāo)準(zhǔn)還沒有最終確定，但是5G的加入會讓已經(jīng)很密集的頻譜更加擁擠。雖然對于單個手機來說要做到支持全球所有頻段很不實際，但是想要做到國際通用的功能豐富的機型，就需要在2G、3G和4G的發(fā)射和接收路徑上做到多達(dá)15個頻段的支持，同時也要支持WiFi、藍(lán)牙和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。像這樣的4GLTE手機就需要30到40個濾波器。在5G時代，這個數(shù)字將會增加到60個以上。

    濾波器的作用是通過特定頻率的信號，讓其他頻率的信號受阻。按照可以通過信號的類型可以分為四種類型：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器。帶阻濾波器也叫做陷阻濾波器。

濾波器按通頻分類

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濾波器按材料分類

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    總的來看，設(shè)計者對濾波器追求的特性是低插入損耗，快速過渡到最終滾將，以及高帶外抑制。濾波器的插入損耗受制于多個因素，如濾波器帶寬和中心頻率，階數(shù)以及構(gòu)成器件的品質(zhì)因子。

濾波器的各項指標(biāo)

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    一、4GLTE中的濾波器

SAW濾波器基礎(chǔ)

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    SAW濾波器被廣泛應(yīng)用在2G和3G接收機前端、雙工器以及接收機濾波器。SAW濾波器具有低插入損耗、高抑制和寬帶的特點，相比于傳統(tǒng)腔體濾波器和陶瓷濾波器尺寸也非常小。由于SAW濾波器采用晶圓制作的方式，還具有量產(chǎn)低成本的優(yōu)勢。不同頻帶的濾波器和雙工器可以通過SAW技術(shù)直接集成在單個芯片上。

    此處不得不提的是壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)存在于具有一定對稱性的晶體中。壓電效應(yīng)的原理是，如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。電能和機械能之間的轉(zhuǎn)換可以說是十分高效的，能量損失非常微小。

    在固態(tài)材料中，交替的機械變形可以產(chǎn)生速度為3000到12000米每秒速度傳播的聲波。在聲波濾波器中，如果品質(zhì)因子Q值可以高達(dá)幾千，則可以形成駐波。這些高Q諧振是聲學(xué)濾波器實現(xiàn)的頻率選擇性和低損耗的基礎(chǔ)。在SAW濾波器上，電信號輸入，通過交錯金屬叉指換能器（IDTs）在壓電材料襯底上轉(zhuǎn)換為聲波。常見的壓電材料基材有石英，鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）。

    SAW濾波器可以覆蓋高達(dá)1.9GHz的頻率應(yīng)用，適用于GSMCDMA2G和部分4G頻帶。除此之外，WLP封裝也已用來封裝SAW，使得它的體積小巧，可以同時與雙工器或者多帶形式集成。但是SAW濾波器在高頻應(yīng)用下的劣勢是很明顯的，1GHz以上其選擇性下降明顯，超過2.5GHz時，SAW只能滿足一般性應(yīng)用需求而難以滿足高性能要求。同時，它的工作狀態(tài)對溫度敏感，基材的剛性在高溫時會下降從而導(dǎo)致聲速減弱。溫度上升時SAW濾波器的頻率響應(yīng)可能會下降4MHz之低。隨著保護(hù)帶（guardband）變窄、在消費設(shè)備應(yīng)用的寬溫度范圍要求（通常，-20°C至85°C）下，這種限制變得更加顯著。

    二、BAW體聲波濾波器

    BulkAcousticWave(BAW)濾波器也叫做體聲波濾波器，不同于SAW濾波器，BAW濾波器的聲波傳播方向是垂直的。BAW諧振器通過石英晶體作為襯底，在上層和下層覆蓋金屬貼片來激發(fā)聲波，從頂部表面反彈到底部表面形成駐波聲波。諧振頻率是由襯底板厚度和電極質(zhì)量決定的。高頻的BAW濾波器中壓電層必須做的很薄，幾微米的厚度，這要求諧振結(jié)構(gòu)必須使用載體基板上的薄膜沉積和微加工。

    BAW濾波器具有低插入損耗，因此有助于彌補與單個智能手機中支持多頻段帶來的高損耗。除了改善信號接收外，更低的損耗也有助于延長電池壽命。BAW在上行鏈路和下行鏈路分離最小的應(yīng)用以及緊密壓縮的相鄰頻帶中需要衰減的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。

BAW濾波器基礎(chǔ)

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    為了防止能量從襯底處損失，可以通過交替堆疊不同剛性和密度的薄層來形成聲學(xué)布拉克反射器。這種方法就稱為固定安裝的諧振器BAW。布拉格反射器是由具有不同折射率的多層交替材料形成的結(jié)構(gòu)。另一種稱為薄膜體聲諧振器（FBAR）的方法是在有源區(qū)域下方蝕刻空腔，從而形成懸浮膜。

    FBAR濾波器是filmbulkacousticresonator濾波器的簡稱，不同于以前的濾波器，F(xiàn)BAR是使用硅底板、借助MEMES技術(shù)以及薄膜技術(shù)而制造出來的，現(xiàn)階段的FBAR濾波器已經(jīng)具備了略高于普通SAW濾波器的特性。

    兩種類型的BAW濾波器都可以實現(xiàn)非常低的損耗，因為它們的聲能密度非常高并且可以非常好地捕獲聲波。它們可實現(xiàn)的Q值在2GHz時仍然可以高達(dá)2500，高于在其他類型的微波濾波器。即使在要求苛刻的通帶邊緣，帶外抑制和插入損耗性能方面依然表現(xiàn)優(yōu)秀。

BAW濾波器橫截面示意圖

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    FBAR和BAW-SMR之間的根本區(qū)別在于如何捕獲聲能。對于FBAR，諧振器的兩個空氣/晶體界面確保適當(dāng)?shù)穆暡ú东@。在BAW-SMR中，諧振器下方的布拉格反射器可以有效地捕獲聲波。二者之間另一個主要區(qū)別是器件產(chǎn)生的熱量的熱路徑。在BAW-SMR中，熱量具有進(jìn)入基板的傳導(dǎo)路徑，從該傳導(dǎo)路徑可以傳播。在FBAR中，因為諧振器的每一側(cè)都存在氣腔，所以熱傳導(dǎo)能力較弱。

    與SAW器件相比，它們的性能隨溫度變化較小。反射器中使用的SiO2將BAW的整體溫度漂移降低，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)SAW或FBAR濾波器所能達(dá)到的溫度漂移。BAW器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，使緊湊型器件能夠處理高達(dá)10W的功率，為小型蜂窩基站應(yīng)用提供充足的功率處理能力。

    三、5G濾波器

5G相比于4G對手機中收發(fā)機架構(gòu)的影響

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    如今的4GLTE制式下的智能手機可以支持超過30個頻段，需要60個以上濾波器，其中大部分采用復(fù)用器的形式存在。數(shù)量如此之多的濾波器不近占據(jù)大量空間，還擁有高昂的成本，器件制造商既要滿足性能，也要維持低成本要求，可以說已經(jīng)是很大挑戰(zhàn)。4G制式中的濾波器器件大部分是基于SAW和BAW結(jié)構(gòu)。在低頻時，SAW濾波器可以滿足低插入損耗和帶外抑制要求，覆蓋寬帶、且體積小巧。但是在5G制式下的sub-6GHz和毫米波波段，SAW濾波器很難滿足其需求。SAW濾波器在2GHz以下性能優(yōu)勢明顯，但是在高頻應(yīng)用中，只能滿足例如GSM、CDMA、3G無線接收前端等要求并不苛刻的應(yīng)用中。我們也在前面提到，SAW濾波器對溫度也很敏感。通常SAW濾波器在手機中的工作頻率為600MHz到2GHz，BAW濾波器工作在1.5GHz到6GHz，因此二者的應(yīng)用都被限制在6GHz以下。

    濾波器面臨的挑戰(zhàn)是，可以在不同頻率進(jìn)行動態(tài)切換。采用非載波聚合技術(shù)的情況下，即使通信頻段可以高達(dá)30個頻段，也是只有一個濾波器進(jìn)行工作，其他的濾波器處于關(guān)斷狀態(tài)。但是在載波聚合的情況下，以2個CC為例，就可能有四種復(fù)雜的情況進(jìn)行頻率組合。CC數(shù)量越多，情況越是復(fù)雜，濾波器需要配合其他頻段的CC濾波器進(jìn)行工作，可以采用的形式除了雙工器之外，還有三工器，四工器，甚至更復(fù)雜的形式結(jié)構(gòu)。

    目前手機中所采用的零中頻或者直接下變頻收發(fā)機依賴于CMOS技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)采用的器件數(shù)量少、線性度高，適用于復(fù)雜調(diào)制結(jié)構(gòu)。對于其中的濾波器來說，性能要求很高，但是每個通信頻段只需要兩個濾波器或者一個雙工器。對于早期的3G手機，只有3或4個頻段，濾波器可以滿足其要求。但是4G的同頻頻段有30個以上，濾波器的數(shù)量和成本都大幅度增加。而且對于毫米波來說，直接下變頻和直接處理高頻信號都是很大的挑戰(zhàn)。因此毫米波中更多的采用的是傳統(tǒng)超外差射頻架構(gòu)。

直接變頻或零中頻接收機框圖

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    四、Sub-6GHz濾波器

    對于5G中的3.5-6.0GHz新頻段，頻率與當(dāng)前的4G高頻段接近，因此更有可能采用直接下變頻的無線電解決方案。但較高的頻率依然會給高頻段無線器件性能帶來壓力，但是基本的直接下變頻架構(gòu)將保持不變。從濾波器的角度來看，更高的頻率會給表面聲波（SAW）濾波器的帶來不小阻礙，其高頻劣勢在2.5GHz頻帶上已經(jīng)體現(xiàn)了出來。因此3.5-6.0GHz更有可能采用BAW和溫度補償BAW（TC-BAW）濾波器。不過高頻率的影響也會對BAW濾波器起作用，因為聲學(xué)損失隨頻率的平方在急劇增加。

BAW濾波器中電學(xué)和聲學(xué)損耗受頻率變化的影響

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    五、毫米波濾波器

    在毫米波頻率下，聲學(xué)濾波器不再適用，這是由于毫米波頻率下聲學(xué)損失增加，并且縮放尺寸不切實際。其波長開始變得足夠小，因此毫米波的濾波器技術(shù)是基于EM技術(shù)的。

波導(dǎo)濾波器3D建模及幅度響應(yīng)

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    現(xiàn)有用于20GHz和80GHz之間的高性能濾波器通常分為兩種結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)濾波器和腔體濾波器。對于大多數(shù)毫米波無線電，這些濾波器具有以厘米為單位的尺寸，但是毫米波需要毫米級尺寸?，F(xiàn)在市場上正在向小型化毫米波濾器過度。波導(dǎo)濾波器的優(yōu)點是可以與現(xiàn)有CMOS技術(shù)兼容。但是基板的性能會影響濾波器性能，所以關(guān)鍵在與基板材料的優(yōu)化。腔體濾波器通常比平面波導(dǎo)濾波器在設(shè)計上難度更大。但是腔體濾波器在優(yōu)化濾波器性能和功率處理方面有其獨特優(yōu)勢。與平面波導(dǎo)一樣，設(shè)計者一直在努力使腔體濾波器小型化，但是它在成本方面可能優(yōu)勢不大。平面波導(dǎo)和腔體濾波器都難以實現(xiàn)小尺寸，這是由于被濾波掉的EM波的波長尺寸較大，因此濾波器尺寸要求也很大，所以這些毫米波濾波器尺寸可能比低頻帶聲波濾波器大。然而，由于之前提到的無線電架構(gòu)挑戰(zhàn)，無線電所需的濾波器數(shù)量可能要少得多。

    六、濾波器市場

    4GLTE智能手機中濾波器的急劇增加，同時SAW和BAW濾波器制造商提出了挑戰(zhàn)。主要的濾波器供應(yīng)商大幅提高了其制造能力，甚至增加幾倍才能滿足需求。有些供應(yīng)商的前端模塊的生產(chǎn)甚至受到濾器供應(yīng)限制。

    SAW的主要供應(yīng)廠商包括Murata，Skyworks（來自Panasonic），RF360Holdings（高通/TDK-EPCOS合資企業(yè)），Qorvo和TaiyoYuden，以及全球其他幾家小型SAW制造商，其中一些提供代工服務(wù)。這為大多數(shù)模組生產(chǎn)商提供了可用資源的靈活性。標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)的SAW制造工藝在市場上的區(qū)分度不大，主要的區(qū)別在于設(shè)計方案。然而，隨著性能需求的增加，需要諸如溫度補償TC和更高頻率的解決方案，先進(jìn)的SAW工藝會變得越來越復(fù)雜，并且會在制造商之間差別越來越大，這也會使得SAW工藝相對于BAW的成本優(yōu)勢受到削弱。

    Broadcom（來自Avago）和Qorvo（來自TriQuint）是智能手機領(lǐng)域中僅有的兩家批量供應(yīng)商，因此BAW濾波器的供應(yīng)商的規(guī)模要小得多。Broadcom憑借其FBAR技術(shù)在濾波器體積和器性能方面處于領(lǐng)先地位。Qorvo擁有SMR技術(shù)，并且與FBAR的性能差距很小，因此占據(jù)了第二的位臵。兩家公司在過去十年中都增加了大量產(chǎn)能以滿足濾波器市場的增長。并且這兩家公司都將其制造工藝從150毫米晶圓轉(zhuǎn)變到200毫米晶圓，且兩家公司都積極并購硅晶圓廠以滿足未來的預(yù)期需求。由于BAW工藝的復(fù)雜性，BAW技術(shù)的進(jìn)入壁壘明顯高于SAW。除了工藝流程的復(fù)雜性之外，兩家公司都擁有涵蓋該技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)IP。2009年至2012年期間，Avago和TriQuint就BAW技術(shù)專利進(jìn)行了大的法律訴訟，最終達(dá)成了交叉許可協(xié)議。之后兩家公司積極增加各自的專利組合，這進(jìn)一步提高了技術(shù)門檻。然而，BAW濾波器市場的前景依然非?？捎^，Skyworks，RF360Holdings和TaiyoYuden也宣布將會提供基于BAW的產(chǎn)品。初創(chuàng)公司Akoustis通過使用單晶AlN開發(fā)了一種非常高性能的BAW技術(shù)，在此前其他供應(yīng)商使用的則是多晶AlN方案。

    Akoustis技術(shù)公司(前稱為Danlax,Corp.)是根據(jù)美國內(nèi)華達(dá)州法律于2013年4月10日注冊成立，總部設(shè)在北卡羅來納州的亨茨維爾。2015年4月15日，公司更名為Akoustis技術(shù)公司。2017年3月，登陸納斯達(dá)克。

    目前Akoustis已經(jīng)宣布推出了三款商用濾波器產(chǎn)品：第一款是用于三頻WiFi路由器應(yīng)用的商用5.2GHzBAWRF濾波器；第二款是針對雷達(dá)應(yīng)用的3.8GHzBAWRF濾波器；第三款A(yù)KF-1652是針對未來4GLTE和5G移動設(shè)備5.2GHzBAWRF濾波器。

AkousticXBAW單晶體濾波器在1-7GHz頻率的應(yīng)用

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    雖然目前我們所討論的濾波器技術(shù)都不直接涉及化合物半導(dǎo)體，但在整個系統(tǒng)設(shè)計中，由于性能需求，大量的器件會使用化合物半導(dǎo)體設(shè)計。對sub-6GHz以下頻段，基于現(xiàn)有的架構(gòu)，使用化合物半導(dǎo)體工藝可以具有更高的性能。對于20GHz以上的毫米波頻率，會根據(jù)應(yīng)用選擇性使用化合物半導(dǎo)體器件優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。載波頻率進(jìn)行上下變頻時，還可能需要用到混頻器和壓控振蕩器之類的器件，這些都可能采用化合物半導(dǎo)體制造工藝，這都是為了支持5G制式可能采用的架構(gòu)所用到的部件，而4G中這些組件不在移動設(shè)備中使用。

    5G制式下聲學(xué)濾波器的限制顯得更加關(guān)鍵。BAW濾波器目前應(yīng)用在2.5-3.5GHz，5G制式下將會占領(lǐng)3.5-6.0GHz。隨著頻率增加到6.0GHz，性能挑戰(zhàn)將會非常明顯。為了避免濾波器性能在高頻時的下降，必須開發(fā)改進(jìn)型聲學(xué)諧振器技術(shù)。SAW濾波器將會沿用當(dāng)前工藝，在改進(jìn)的同時繼續(xù)在低頻區(qū)域占據(jù)成本優(yōu)勢。SAW濾波器將主導(dǎo)5G中新出現(xiàn)的600-700MHz頻段。依據(jù)目前的技術(shù)現(xiàn)狀，還沒有可以替代SAW和BAW濾波器的其他可用的先進(jìn)濾波器技術(shù)，因此在未來5年之內(nèi)目前的手機收發(fā)機架構(gòu)不會發(fā)生本質(zhì)性變化。

    對于27GHz以上的毫米波頻率，濾波器的挑戰(zhàn)將是巨大的。目前的高性能毫米波濾波器確實存在，但大多數(shù)的尺寸和重量并不適用于與移動設(shè)備。小型化EM波導(dǎo)和腔體濾波器的新技術(shù)開始出現(xiàn)。腔體濾波器的預(yù)期性能應(yīng)高于EM波導(dǎo)濾波器，但是EM波導(dǎo)濾波器可以使用薄膜工藝，有低成本優(yōu)勢。

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國電感濾波器行業(yè)市場運營態(tài)勢及發(fā)展前景預(yù)測報告》