探索RF滤波器的工作原理

 

在过去十年中，移动无线数据快速增长，使得运营商愈加迫切地需要新频段和新技术，以满足用户对无线数据容量的需求。这种需求不仅推动了无线技术的发展，也增加了对增强型射频(RF)滤波器技术的需求，以帮助减少系统干扰，扩大RF覆盖范围，增强接收器性能，并提升共存特性。

有关RF滤波器的基础知识    

先来了解这些重要的滤波器术语和概念。

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» 衰减：信号在通过RF滤波器后产生的振幅损失，通常以分贝(dB)为单位衡量。在滤波器通带范围以外引用时，它也被称为抑制。

» 截断：滤波器响应降低3dB时对应的点。

» 插入损耗：滤波器的目标通带中的信号功率损耗。

» 隔离：将信号彼此隔开，以防止它们之间产生不必要的交互。例如，您可能会隔离发送信号和接收信号，以防它们产生交互。

» 通带：信号通过，但几乎无衰减的区域。

» Q因数：品质因数的简称，是指在每个振荡周期，存储能量与损失能量之间的比率。用于测量谐振电路的选择性。

» 纹波：通带中插入损耗的差异。

» 选择性：对滤波器通过或抑制特定频率（相对于中心频率）的能力的测量。选择性一般是指在与滤波器的中心频率相差指定频率的节点所发生的损耗。

» 阻带：滤波器达到所需的带外抑制（由所需的分贝数表示）时应对的频段。

图1：典型的RF滤波器响应

滤波器去除信号中多余的频率成分，同时保持所需的频率带宽。图2显示四种基本的滤波器以不同方式接收或抑制信号：

» 低通滤波器：允许低于某个频率的所有频率通过，并阻止所有其他频率（和高通相对） » 高通滤波器：允许高于某个频率的所有频率通过，并阻止所有其他频率（和低通相对）  » 带通滤波器：允许介于两个频率之间的所有频率通过，并阻止所有其他频率（和带阻相对）  » 频段抑制滤波器（也称为带阻或陷波滤波器）：阻止介于两个频率之间的所有频率，并允许所有其他频率通过（和带通相对）

图2：基本的RF滤波器和响应

滤波器技术的比较    

根据应用的不同，滤波器的结构也不同。RF滤波器技术最常见的差异在于尺寸、成本和性能。滤波器的结构是导致这些差异的主要因素。以下是一些RF滤波器结构示例：

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» 声学滤波器：一种滤波器，能够满足低频率和高频率（高达9GHz），在有些特殊情况下能够满足高达12GHz频率。它体积小，提供极佳的性能和成本组合，以满足复杂的滤波器要求。声学滤波器是商用RF微波应用（例如手机、WiFi和全球定位系统GPS）中最常见的滤波器结构。

» 空腔滤波器：一种只用在基础设施应用中的滤波器。它能在合理的成本下实现良好的性能，但体积比声学滤波器大。

» 分立式电感-电容（LC）滤波器：一种结构成本低，性能和体积中等的滤波器。LC元件有时候以印制结构的形式集成在基板上，称为集成式无源器件（IPD）。LC滤波器也可以通过分立式表贴器件（SMD）元件实现。

» 单体式陶瓷滤波器：一种成本和性能均高于多层陶瓷滤波器的滤波器。它的体积也更大，不适合用于移动应用。

» 多层陶瓷滤波器：一款中低成本的滤波器，性能与LC滤波器相当。其占用面积通常较为合理，但厚度更大，使其无法用于有些应用。

» 滤波器可以设计用于满足多种要求。虽然它们使用相同的基本电路配置，但当电路被设计用于满足不同的标准时，电路值会有所不同。比如，当需要满足带内纹波、以最快速度过渡到最终滚降、最高的带外抑制等标准时，会导致不同的电路值。

了解压电式声学滤波器    

对于如今的许多应用，首选的滤波器技术是压电式滤波器。这些RF滤波器是体积小巧、经济高效的解决方案，用于许多商业、军事和科学应用中。

压电效应是一种可逆的物理现象。晶体物质在受到机械应力时产生电流，反之亦然。当施加电场或电压时，晶体会有微小幅度的拉伸。压电材料将施加的机械应力转化为电能，也能将电能转化为机械应力。

市面上提供两种声学滤波器，分别是表面声波(SAW)和体声波(BAW)。

如图3所示，SAW和BAW滤波器可以分为两类：梯式和栅格式。梯式滤波器在通带附近有很高的抑制，但带外抑制性能很差。栅格式滤波器提供良好的带外抑制，在通带附近提供较低的抑制。而梯式-栅格式的混合配置在抑制和通带抑制性能之间实现折衷。

图3：SAW和BAW配置设计

SAW滤波器    

SAW滤波器应用广泛，非常成熟。它横向传播高频波。如图4所示，利用在石英、钽酸锂 (LiTaO3) 或铌酸锂 (LiNbO3) 等压电基板上创建的交错金属叉指式换能器 (IDT)，将电输入信号转换为声波。SAW滤波器速度慢，可用于适应极小器件中穿过IDT的许多波长。

图4：基本的SAW RF滤波器

SAW的一个关键优势在于，它能够优化用于600-1900MHz的标准滤波器应用。它不仅能满足600MHz的低5G频段，而且在1、5、8、13低手机频段以及GPS频段下也表现出色，且经济高效。

为了达到1900MHz以上，我们采用分层SAW技术，例如低损耗谐振器技术 (LRT)、薄膜 SAW (TF-SAW)、超SAW或性能极高 (IHP) 的SAW。这些技术使多层SAW能达到 2.7GHz，可用于中高频段应用。高于2.7GHz时，SAW滤波器的选择性下降。但是，在SAW滤波器的效用结束时，BAW滤波器（本章稍后会进行介绍）开始发挥作用。

温度补偿SAW    

在诸多SAW技术创新中，有一种温度补偿SAW (TC-SAW)。TC-SAW使用热补偿层来避免热漂移，如图5所示。由于具有更高的温度稳定性，其性能要优于标准SAW。

与传统的基于SAW的滤波器和双工器相比，TC-SAW器件集成在单晶铌酸锂上，且将 IDT 电极埋入二氧化硅 (SiO2) 层中，提高了TCF和品质因数。

图5：SAW与TC-SAW比较

要在SAW上采用温度系数，需要将叉指式换能器 (IDT) 与任何环境温度变化隔离开来。要实现这种隔离，需要使用 SiO2 层覆盖 SAW 结构，有时候还需要额外的氮化硅层，如图5右侧所示。

TC-SAW改善滤波器性能，以应对LTE和5G严格的频段分配，以及上行链路和高功率用户设备 (HPUE) 的载波聚合 (CA)。这些改善包括更低的插入损耗、更陡的裙边特性、温度稳定性、更高的电源耐久性、更宽的带宽频率范围、更高的线性度、更小的尺寸和集成。为了实现这些特性，需要使用更高的Q因数和较小的频率温度系数 (TCF)。

多层SAW    

在传统的SAW基板结构中，声波沿表面传播，在电极下达到几个波长，体声波辐射模式则是出现在基板深处。这会导致体声波泄漏，使Q因数、TCF和耦合降低。

降低这种泄漏的方法之一是创建一个新的多层结构或是创建TC-SAW的变型，如图6所示。在压电层和功能层表面以下增加这个额外的SiO2层会提供一个重要益处：将在表面传播的SAW引入压电层和功能层。这会将声学能量限制在表面附近，从而改善TCF和Q因数。

图6：多层SAW与SAW的比较

市面上有几种类型的SAW滤波器。它们被称为SAW、TC-SAW和多层SAW，也被称为引导式SAW、LRT-SAW、TF-SAW、ultra-SAW和IHP-SAW。它们都属于SAW种类，在基板和功能层之间增加一层，例如SiO2，如图6所示。在本书中，我们将这种类型称为SAW。

多层SAW的性能要高于标准SAW滤波器。在有些频段中，多层SAW的性能能媲美BAW滤波器，接下来我们会讨论这一点。

多层SAW技术以分布在隔离器上的压电材料为基础。在多层SAW中，热补偿机制直接来自基板，而不是源自电极表面。

下表比较了各种声学SAW RF滤波器技术的不同特点。

BAW滤波器    

BAW可用于替代SAW。BAW滤波器支持1.4至9GHz频率范围。

除了结构之外，BAW和SAW的主要区别在于滤波器赖以使用的压电材料。BAW滤波器使用多晶氮化铝，具有更高的耦合系数和更高的波速。

BAW滤波器的声学能量密度非常高，且其结构能够很好地捕捉声波，因此能够实现极低的损耗。此外，相比在微波频率下使用的其他尺寸合适的滤波器类型，它们可实现的Q因数更高。如此可以实现出色的抑制和插入损耗性能，在关键的带通边沿也是如此。

BAW滤波器提供更低的插入损耗，有助于延长智能手机应用中的电池使用寿命。BAW还适用于上行链路和下行链路之间分隔很短的应用，以及在紧密排列的相邻频段中对衰减要求很高的应用。

与SAW滤波器不同，BAW滤波器中的声波是垂直传播的。如图7所示，谐振器使用石英晶体作为基板。石英顶部和底部两侧的金属路径激发声波，声波从顶部反弹到底部表面，形成驻波。平板的厚度和电极的质量决定了谐振发生的频率。在BAW滤波器有效的高频率下，压电层必须只有几微米厚，这就要求谐振器结构是以载波基板为底，利用薄膜淀积和精密加工构成。

图7：基本的BAW RF滤波器

在这种类型的滤波器中，为了防止声波逃逸到基板中，会堆叠刚度和密度交替变化的薄层来创建布拉格声学反射器。构建出的器件被称为固载谐振器(SMR) BAW，如图7所示。布拉格反射器由多层交替材料构成，这些材料的折射率各不相同。

市面上主要有两种类型的BAW滤波器，如图8所示：固载谐振器(SMR) BAW和多晶薄膜体声波谐振器 (FBAR)。

图8：BAW滤波器技术的截面比较

从技术角度来看，最大区别在于基板，以及基板和底层电极之间的空腔。根据下表，可以看出堆叠层BAW的温度补偿性能最佳。

有些公司会使用自己的品牌名称来指代FBAR或BAW技术，但它们都归属于BAW或FBAR这两类技术。例如，XBAW就是另一种FBAR，超BAW是另一种BAW。XBAR是一种剪波BAW技术，具有场横向耦合的特性；但是，这项技术还处于研发阶段，尚未投产……

审核编辑：黄飞