射频滤波器核心技术

智能手机通信系统主要由天线、射频前端模组、射频收发模块以及基带芯片组成。发射通道路径依次为：基带芯片、射频收发模块、开关、功率放大器（PA）、滤波器/双工器、开关、天线；接收通道路径依次为：天线、开关、滤波器/双工器、低噪声放大器（LNA）、开关、射频收发模块、基带芯片。由此可见，无论是发射通道还是接收通道，射频滤波器都是不可或缺的关键元器件。

智能手机通信系统结构示意图（来源：卓胜微）

随着智能手机支持的射频频带数量急剧增加，用于射频频带相互隔离的滤波器市场需求旺盛。射频滤波器是一种选频装置，通过耦合基本元件或谐振器来实现，主要作用是允许符合特定频率的信号通过，同时抑制不需要的频率信号，以解决不同频带和通信系统之间产生的信号干扰问题。按照接收或抑制信号的不同方式，射频滤波器可分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器；按照不同器件的结构类型，射频滤波器可分为：分立式电感电容型（LC）滤波器、多层陶瓷滤波器、单体式陶瓷滤波器、空腔滤波器、声学滤波器。

射频滤波器的结构类型（成本、性能、尺寸比较）

由于声波在固态材料中的传播速度比电磁波在电介质中的传播速度小3~4个数量级，相应的声波波长比电磁波波长小3~4个数据级，因此声学滤波器的尺寸大幅减小，且具有低成本和高性能等特点，成为以智能手机为代表的移动设备常用射频滤波器。本课程所提及的射频滤波器（或“滤波器”）主要指声学滤波器，包括声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器两大类。
 

电磁波和声波在不同介质中的传播速度和波长（@2GHz）

声表面波滤波器通常是在石英、钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）等构成的压电衬底上，通过叉指换能器将电输入信号转化成声波。声表面波的一个主要优势是能够极好地满足最高1.9 GHz标准滤波器应用，包括GSM、CDMA和3G等标准频带，以及部分4G频带。另外，目前采用晶圆级封装等技术缩小声表面波滤波器的体积，这使得多个频带的滤波器和双工器都可集成于一颗芯片。另外，声表面波滤波器对温度非常敏感，因此发展出温度补偿技术。
 

声表面波滤波器（上） vs. 体声波滤波器（下）

相比声表面波滤波器，体声波滤波器能够在更高的频率等级，以更低的插入损耗，提供出众的性能（更高的质量因子）。但为了实现高频率应用，体声波滤波器的压电层必须只有几微米厚，谐振器结构需要采用薄膜沉积和微加工技术，并在载波衬底上完成。通过使用体声波技术，能够开发边缘斜率极高和抑制能力优秀的窄带滤波器。体声波可以处理的频率高达6 GHz，在4G LTE和5G频段中多有使用。另外，对于LTE/Wi-Fi共存滤波器，体声波也非常有效。此外，即使在宽带宽，体声波滤波器的设计对温度变化的敏感性也低得多。
 

不同类型的射频滤波器工作频率及应用领域（来源：Akoustis）

纵观全球射频滤波器产业，声表面波滤波器市场的“半壁江山”被日本村田（Murata）占据，TDK、思佳讯（Skyworks）、Qorvo、太阳诱电（Taiyo Yuden）等日美巨头几乎瓜分了剩余的半块“肥肉”；BAW滤波器市场的九成市场份额则由美国企业博通（Broadcom）和Qorvo霸占。核心器件专利、技术和市场被国外厂商把持，成为中国智能手机缺“芯”之痛。而当下国产替代的机遇，造就了中国射频滤波器企业的黄金时代，已经并正在吸引众多海归专家与本土人才投身其中，一股创业热潮正在神州大地掀起。

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