濾波器在各種領(lǐng)域應用及行業(yè)市場發(fā)展分析

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的標準還沒有最終確定,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15個頻段的支持,同時也要支持WiFi、藍牙和全球?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.濾波器按通頻分類濾波器類型特征低通濾波器允許低于某個頻率的信號通過高通濾波器允許高于某個頻率的信號通過帶通濾波器允許在一個區(qū)間內(nèi)的頻率信號通過帶阻濾波器拒絕在某個區(qū)間內(nèi)的頻率信號通過濾波器按材料分類名稱特性離散電感電容濾波器離散電感電容器（LC）濾波器是性能和尺寸適中的低成本結(jié)構(gòu)。液晶元件有時作為印

刷結(jié)構(gòu)在被稱為集成無源器件（IPD）的基板上實現(xiàn)。多層陶瓷濾波器多層陶瓷濾波器成本低至中等，性能與LC過濾器相似。它們的足跡通常是合理的，

但由于移動應用程序強調(diào)更薄和更薄的設(shè)計，它們的厚度正成為一個問題。單層陶瓷濾波器單塊陶瓷濾波器的性能比多層陶瓷高，而且價格也更高。它們在物理上也更大，通常

不適合移動應用程序。聲濾波器聲濾波器能夠同時滿足高達6GHz的低頻和高頻，體積小，為復雜的濾波器要求提供

最佳性能和成本。聲濾波器是移動設(shè)備中最常見的濾波器結(jié)構(gòu)。腔體濾波器空腔過濾器僅用于基礎(chǔ)設(shè)施應用。它們可以以合理的成本獲得良好的性能，但卻很大。

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.濾波器的各項指標名稱特性離散電感電容濾波器離散電感電容器（LC）濾波器是性能和尺寸適中的低成本結(jié)構(gòu)。液晶元件有時作為印

刷結(jié)構(gòu)在被稱為集成無源器件（IPD）的基板上實現(xiàn)。多層陶瓷濾波器多層陶瓷濾波器成本低至中等，性能與LC過濾器相似。它們的足跡通常是合理的，

但由于移動應用程序強調(diào)更薄和更薄的設(shè)計，它們的厚度正成為一個問題。單層陶瓷濾波器單塊陶瓷濾波器的性能比多層陶瓷高，而且價格也更高。它們在物理上也更大，通常

不適合移動應用程序。聲濾波器聲濾波器能夠同時滿足高達6GHz的低頻和高頻，體積小，為復雜的濾波器要求提供

最佳性能和成本。聲濾波器是移動設(shè)備中最常見的濾波器結(jié)構(gòu)。腔體濾波器空腔過濾器僅用于基礎(chǔ)設(shè)施應用。它們可以以合理的成本獲得良好的性能，但卻很大。

一、4GLTE中的濾波器SAW濾波器基礎(chǔ)

SAW濾波器被廣泛應用在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,壓電效應存在于具有一定對稱性的晶體中.壓電效應的原理是,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）,反之施加電壓,則產(chǎn)生機械應力（稱為逆壓電效應）.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值可以高達幾千,則可以形成駐波.這些高Q諧振是聲學濾波器實現(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1.9GHz的頻率應用,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致聲速減弱.溫度上升時SAW濾波器的頻率響應可能會下降4MHz之低.隨著保護帶（guardband）變窄、在消費設(shè)備應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用以及緊密壓縮的相鄰頻帶中需要衰減的應用中表現(xiàn)優(yōu)異.BAW濾波器基礎(chǔ)

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,FBAR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

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?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,熱量具有進入基板的傳導路徑,從該傳導路徑可以傳播.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,遠低于傳統(tǒng)SAW或FBAR濾波器所能達到的溫度漂移.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10W的功率,為小型蜂窩基站應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

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30個頻段,也是只有一個濾波器進行工作,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,就可能有四種復雜的情況進行頻率組合.CC數(shù)量越多,情況越是復雜,濾波器需要配合其他頻段的CC濾波器進行工作,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

四、Sub-6GHz濾波器

對于5G中的3.5-6.0GHz新頻段,頻率與當前的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,因為聲學損失隨頻率的平方在急劇增加.BAW濾波器中電學和聲學損耗受頻率變化的影響

五、毫米波濾波器

在毫米波頻率下,聲學濾波器不再適用,這是由于毫米波頻率下聲學損失增加,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.波導濾波器3D建模及幅度響應

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.現(xiàn)在市場上正在向小型化毫米波濾器過度.波導濾波器的優(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.有些供應商的前端模塊的生產(chǎn)甚至受到濾器供應限制.

SAW的主要供應廠商包括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.這為大多數(shù)模組生產(chǎn)商提供了可用資源的靈活性.標準的傳統(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,先進的SAW工藝會變得越來越復雜,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商,因此BAW濾波器的供應商的規(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期需求.由于BAW工藝的復雜性,BAW技術(shù)的進入壁壘明顯高于SAW.除了工藝流程的復雜性之外,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)專利進行了大的法律訴訟,最終達成了交叉許可協(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路由器應用的商用5.2GHzBAWRF濾波器；第二款是針對雷達應用的3.8GHzBAWRF濾波器；第三款AKF-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頻率的應用