MMIC滤波器的时代已经到来

MMIC滤波器的时代已经到来

Doug Jorgesen和Christopher Marki，Marki Microwave

在过去的10到15年里，射频消费市场已经迅速发展，提供了更高的数据速率和连接性，同时也支持不断增加的用户和连接设备。类似的市场演变正在航空航天和国防、测试和测量以及"新太空"市场中发生，在这些市场中，越来越多的高频技术正在被应用，用户数量大大增加。下一代系统将越来越多地支持多信道、多频段和多发射器结构，以提高性能，并提供实现多任务的能力，但代价是总信道数和总带宽的大量增加。这些信道得到了高速数据转换器的支持，使传统的超外差和直接转换接收机都能获得高瞬时带宽。图1说明了增加模数转换器(ADC)带宽的效果，它显示了随着更多的信号处理以数字方式进行，滤波器的要求也在变化。不断提高的ADC采样率使窄带滤波器能够以数字方式实现，但不断增加的信道数使滤波器的尺寸更加关键。这些趋势给特定解决方案的物理封装带来了令人难以置信的压力，人们期望在相同或有时更小的尺寸内支持更多信道和处理能力。

图1传统的超外差接收器(a)，在第一中频级之后进行数字降频的超外差接收器(b)和直接转换接收器(c)。

为了支持更高的信道密度，器件解决方案通常遵循一种更小尺寸和更高频率的演变。此外，许多系统块和子块已经通过开发单芯片集成解决方案(通常是硅集成电路)，通过在单个封装内的多个芯片的新型封装(称为多芯片模块)或通过在同一封装内的硅和非硅集成电路的某种组合(通常称为"异质集成")而被结合起来。毫无疑问，这些趋势将在可预见的未来继续下去，创新将是必要的，以进一步缩小高频硬件的尺寸。

滤波器通常用于提供信道或频带选择，并清理模拟信号链中存在的杂散和不需要的信号或噪声。当涉及到小型化和更高的信道密度时，滤波器是有问题的，因为它们占用了系统整体占地面积的大部分。考虑到它们的普遍性，我们很好奇为什么滤波器仍然是系统中进化程度最低的一块。它们通常缺乏可调谐性或可重配置性，它们很少被集成到更大的功能块或封装中，它们占用了大量的面积和体积，它们很容易受到工艺变化的影响，造成批次间的差异，而且它们通常是"公司内部"设计的，占用了宝贵的射频设计资源。

对空间和尺寸的要求迫使人们重新评估未来滤波器解决方案的性能权衡。新的趋势是优先考虑降低SWaP、可扩展性和快速定制滤波器的开发，而不是传统的低损耗(即高Q因子)、高带外抑制和高功率。随着转换器带宽的增加和更多的信号处理是以数字方式进行的，在模拟领域需要更少的信号处理。更少的处理意味着更少的转换器，因此，带来间隔更远的更少的毛刺。一些滤波器的指标，如信道选择滤波器的插入损耗将始终是重要的，但尺寸、可扩展性和开发时间正成为系统架构师更主要的关注点。

高性能系统的一个关键挑战是，滤波器通常是根据系统频率规划或一些独特的共存要求而定制的。这为小批量建立商业案例时带来了挑战，因为成本不能被多个客户平摊。此外，滤波器往往是立即需要的，因为它们被添加或改变以解决开发过程中出现的特定问题。这使得快速的、价格合理的、首次设计就成功的方法对解决特定的定制滤波器要求至关重要。

考虑到上述情况，我们认为，未来有竞争力的滤波技术必须满足以下关键指标：

尺寸极小，至少比现有解决方案小2倍，而且越小越好

开发周期短，成本不高，首次就成功的设计流程

可扩展的、高度可重复的制造方法

在插入损耗、滤波顺序、阻隔裙边等方面可接受的性能权衡，以使尺寸缩小，满足系统需要

工作频率从低GHz到>100GHz，支持所有的高频需求，最好是采用表面贴装封装。

滤波器技术的比较

没有一种滤波技术能适合所有应用，也没有一种性能指标就可以定义一种滤波技术(图2)。对滤波器技术进行一般性比较是很复杂的，因为滤波器的设计可能是在许多参数之间进行权衡。虽然Q值对一个给定的设计很重要，但没有一个单一的品质指数(figure of merit)能预测一种滤波器技术能多好地符合规范。

图2微波滤波器的性能指标。

在基本层面上，谐振器的Q值和滤波器的阶数是决定中心频率插入损耗和阻隔斜率的最重要因素。然而，一个典型的滤波器规格是由整个通带的插入损耗而不是中心频率的插入损耗来定义的，以及对特定频率的阻隔而不是阻隔斜率来定义。要满足真正的滤波器规格，需要在设计中仔细注意通带边缘的插入损耗和接近通带的阻隔。因此，比较不同的滤波器技术不仅需要比较可用的Q值和可实现的滤波器阶数，还需要比较实现不同技术的灵活性，包括与仿真的一致性。

目前常用的滤波器技术包括声波滤波器、空腔滤波器、块状器件滤波器和平面滤波器。在传统的空间受限的"低频"环境中，如手机、Wi-Fi和许多其他消费产品，面声波和体声波滤波器被广泛使用。它们提供了极好的阻隔性、低损耗和小尺寸，但它们受限于约1W的功率处理能力和约8GHz以下的频率。对于具有更多可用电路板空间的低批量应用，块状器件滤波器可以提供低成本和6GHz以下的良好性能，但在微波频率下的性能较差。

在频谱的另一端，空腔滤波器在微波频率下提供了极低损耗的高阻隔性和高功率处理能力，但其物理尺寸大，需要手工调谐，而且都很昂贵。这类滤波器被广泛用于高功率通信系统，如蜂窝宏基站。在这些极端尺寸和成本之间，是Marki和我们的客户最常使用的一类滤波器：平面电路滤波器。用MMIC技术实现的

审核编辑：汤梓红