5G射频滤波器技术原理

射频滤波器可分为表声波滤波器和体声波滤波器，其中表声波滤波器细分为 SAW 滤波器、TC-SAW、I.H.P-SAW（Incredible High Performance SAW）等。体声波滤波器细分为 BAW、FBAR、XBAR 滤波器等。

主流滤波器SAW、BAW和FBAR

目前市场主流的滤波器是SAW（表面波滤波器）、BAW（体声波滤波器）和FBAR（薄膜腔声谐振滤波器）。

（1）SAW声表面波滤波器

SAW 是一种沿着固体表面传播的声波，一个基本的 SAW 滤波器是由压电材料和两个 IDT(interdigital transducer)组成。IDT 核心作用在能量转换，在输出端把接收的声波转变成电信号，在输入端把接收的电信号转变成声波。这种转变主要依赖中间的压电材料，压电材料的晶体受到外界压力时会发生形变，晶体内原子间距离发生变化，打破原来的正负电荷平衡，晶体表面产生电压，相反当晶体两端受到电压时，晶体也会发生形变。

SAW是在压电基片材料表面产生并传播，且振幅随着深入基片材料的深度增加而迅速减少的一种弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器－叉指换能器，分别用作发射换能器和接收换能器。发射换能器将RF信号转换为声表面波，在基片表面上传播，经过一定的延迟后，接收换能器将声信号转换为电信号输出，滤波过程是在电到声和声到电的转换中实现。

SAW滤波器采用了石英、钽酸锂、铌酸锂等晶体作为压电材料集低插入损耗和良好的抑制性能于一身，不仅可实现宽带宽，其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。因为SAW滤波器制作在晶圆上，所以可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上，且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。但SAW滤波器有局限性，高于约1GHz时，其选择性降低；在约2.5GHz，SAW滤波器达到极限使用频率。SAW器件对温度变化敏感，性能随着温度升高而降低，在处理高频信号时性能表现不佳，因此SAW适合在1.5GHz以下使用，但是当工作频率超过1.5GHz时，SAW的Q值开始下降，温度升高时，其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低，因此需要一种替代方法来提高SAW滤波器的散热性和Q值稳定性，TC-SAW滤波器则是以此为前提研发诞生。

TC-SAW滤波器，温度补偿滤波器，是为了弥补SAW滤波器受温度影响的弱点而研发的滤波器，它是在基板上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层，降低其温度系数，进而提高Q值，成本高于SAW滤波器，但比BAW滤波器低。温度未补偿SAW器件的频率温度系数（TCF）通常约为-45ppm/℃，而 TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层， 所以，TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也更高。

（2）BAW（体声波滤波器）

虽然SAW滤波器和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用，高于1.5GHz 时，BAW滤波器则非常具有性能优势。BAW滤波器最高频率可达到20GHz，尺寸还随频率升高而缩小，这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外，即便在高宽带设计中，BAW滤波器对温度变化也不敏感，同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边。 不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播。对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励， 使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。BAW滤波器为了扩展至高频应用了MEMS工艺，将石英灯压电晶体尺寸大幅缩小，压电层材料厚度为个位数微米级别，如石英基板在2GHz条件下厚度约为2um。因此，要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。为使声波不散漫到基板上，通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格（Bragg）反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

  （3）FBAR（薄膜体声波谐振器滤波器） FBAR是一种基于体声波（BAW）的谐振技术，它是利用压电薄膜的逆压电效应将电能量（信号）转换成声波，从而形成谐振。当一直流电场加于材料的两端时，材料的形变会随着电场的大小来改变，而当此电场的方向相反时，材料的形变方向也随之改变。“当有一交流电场加入时，材料的形变方向会随着电场的正及负半周期作收缩或膨胀的交互变化”这种称之为逆压电效应。与SAW不同，这种振动发生于压电材料的体腔内，因此能承受更大的功率。这也是FBAR技术优于SAW的一个原因。

三种FBAR结构：

1） 空气隙型：基于MEMS的表面微加工技术，在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气一金属交界面。此方法可以传统的硅艺兼容。

2） 硅反面刻蚀型：基于MEMS的体硅（Si）微加工技术，将Si片反面刻蚀。在压电震荡堆的下表面形成空气一金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底，导致机械牢度降低。

3） 固态装配型：采用布拉格反射层技术限制声波于压电震荡堆之内。由一层四分之一波长厚度的高声学阻抗材料和一层四分之一波长厚度的低声学阻抗材料交替构成。层数越多则反射系数越大，制得的器件Q值也越高。

4、SAW和FBAR参数比较

Q值：品质因数，Q值越高，及选择性越好，但通频带越窄。选择性就是由于通频带很窄，就相当于带通滤波器，只能通过有用信号而滤除其它频率分量，当要求提高选择性时，就需较高值，当需要比较宽的通频带时，就需比较低值。