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『这个知识不太冷@@』探索@@ RF 滤波器@@技术@@@@（下@@）

judy — Thu, 04 Jan 2024 03:53:06 +0000

『这个知识不太冷@@』系列@@，旨在@@帮助小伙伴们唤醒知识的@@记忆@@，将挑选一部分@@Qorvo划重点的@@知识点@@，结合产业现状解读@@，以此温故知新@@、查漏补缺@@。本篇继续阐述@@ RF 滤波器@@的@@@@一些重要概念@@。

了解滤波器@@的@@@@温度系数@@

似乎每年都会为手机@@、Wi-Fi、汽车等@@应用分配新的@@频谱@@。增加新的@@频谱是好事@@，它们会推动无线设备逐步改进@@。但增加这些@@额外的@@频谱有时@@候会影响到某些区域@@，导致其中@@的@@频段@@相互重叠@@。此外@@，因为@@ RF 路径增加@@，会导致系统发热量随之增加@@。

为了确保妥善隔离@@这些@@信号路径@@，会使@@用@@温度系数较低的@@@@RF滤波器@@。但并不是任何一种滤波器@@@@都适用于这些@@频段@@紧密相连的@@应用@@。如图@@@@1所示@@，手机和@@@@Wi-Fi频段@@有时@@候紧挨着彼此@@，只相差几个兆赫兹@@。我们使@@用@@@@BAW等@@RF滤波器@@技术@@@@来确保这些@@频段@@彼此共存@@。

图@@1：紧密连接的@@@@ Wi-Fi 和@@手机频段@@的@@示例@@

在@@SAW和@@BAW技术@@中@@@@，采用最优的@@温度系数至@@关重要@@。它可以决定一个应用是容易遭到@@RF干扰@@，还是具有出色的@@信号质量@@。在@@BAW和@@SAW技术@@中@@@@，滤波器@@响应@@基于温度变化@@，如图@@@@2所示@@。

图@@2：压电式滤波器@@的@@@@温度漂移@@

当@@滤波器@@响应@@随着应用温度而改变时@@@@，滤波器@@带宽在@@变冷时@@向右漂移@@，在@@变热时@@向左漂移@@。滤波器@@的@@@@温度漂移是由工艺的@@百万分之一摄氏度@@(ppm/°C) 特性和@@滤波器@@在@@应用中@@@@经历的@@温度漂移决定的@@@@，如图@@@@2所示@@。

应用的@@频率@@和@@环境条件通常是固定的@@@@，因此@@，要将滤波器@@的@@@@温度漂移降到最低@@，唯一方法是通过工艺技术@@@@。使@@用@@温度补偿@@@@（TC）滤波器@@工艺技术@@会影响滤波器@@的@@@@整体响应@@。如图@@@@2所示@@，TC-SAW、多层@@SAW和@@BAW技术@@工艺大大降低了单个滤波器@@的@@@@温度漂移@@。这些@@BAW、多层@@SAW和@@TC-SAW工艺技术@@提供更低的@@插入损耗@@@@，产生更陡的@@滤波器@@裙边@@，并提供更好的@@温度响应@@，这些@@都等@@同于温度变化期间更好的@@带外衰减@@@@。它们还能提高@@接收器的@@灵敏度@@、隔离@@和@@抑制@@。

与@@SAW滤波器@@相比@@，BAW滤波器@@本身对温度变化的@@敏感度更低@@。温度补偿@@（TC-SAW和@@TC-BAW）甚至@@会进一步降低温度敏感度@@。

在@@BAW中@@，可以使@@用@@某些设计技术@@来创建@@TC-BAW类型的@@结果@@，但一般来说@@，当@@涉及到实现@@良好的@@温度系数值时@@@@，BAW是有效的@@@@。但是@@，由于结构@@不同@@，三种类@@型的@@@@BAW在@@求解温度系数时@@存在@@差异@@。

下@@图@@说明空腔可能会影响散热路径@@，从而影响滤波器@@的@@@@温度系数@@。在@@5G和@@Wi-Fi应用中@@@@，当@@处于更高频率@@时@@@@，BAW相较于@@FBAR的@@优势会更加明显@@。由于谐振器的@@尺寸更小@@，所以在@@更高频率@@下@@@@，处理滤波器@@的@@@@功率会变得更具挑战性@@。但是@@，在@@使@@用@@@@BAW时@@，反射器层也会变得更薄@@，这会进一步改善散热@@。

图@@3：BAW 与@@ FBAR 滤波器@@在@@功率和@@散热方面的@@比较@@@@@@

相比之下@@@@，使@@用@@FBAR时@@，空腔上@@方的@@膜变得更薄@@，降低了它从谐振器转移热量的@@能力@@。因此@@，当@@BAW和@@FBAR之间的@@插入损耗@@为常数时@@@@，发射功率每升高一瓦@@，温度升高@@20°C，FBAR则是每瓦升高@@70°C。温度变化越小@@，性能越高@@，使@@得@@BAW滤波器@@能够满足系统在@@高功率@@、高温条件下@@的@@插入损耗@@和@@带外衰减@@要求@@。此外@@，因为@@高@@Q因数@@和@@高耦合@@，BAW滤波器@@具有低插入损耗@@@@，这有助于降低功耗和@@相关的@@散热问题@@。

由于如今的@@高频率@@和@@小尺寸应用@@，温度方面的@@限制也愈加严苛@@。此外@@，设计的@@频率@@越高@@，要满足参数要求的@@难度就越大@@。其中@@一个关键参数是插入损耗@@@@。线路长度@@、匹配组件@@、滤波器@@组件和@@连接走线都会对插入损耗@@产生额外影响@@。频率@@高于@@@@3GHz时@@尤其如此@@。为了优化系统的@@链路预算@@，需要使@@用@@@@低插入损耗@@滤波器@@@@。

Q因数@@评估@@

滤波器@@的@@@@插入损耗@@由多种因素决定@@。其中@@包括相对于中@@心频率@@@@的@@滤波器@@带宽@@、滤波器@@的@@@@阶数@@，以及组成组件的@@谐振器的@@@@Q因数@@。Q因数@@是衡量谐振电路的@@选择性@@的@@一个指标@@。

如图@@@@4所示@@，谐振器损耗和@@耦合是实现@@低插入损耗@@和@@高选择性@@的@@关键@@。如果谐振器的@@耦合和@@阻抗相似@@，可以通过@@Q因数@@来比较@@它们的@@性能@@。

图@@4：RF 滤波器@@的@@@@Q因数@@、带宽和@@衰减@@特性@@

了解滤波器@@耦合系数@@

在@@滤波器@@技术@@@@中@@@@，驱动应用性能的@@两个性能参数是滤波器@@耦合系数和@@@@Q因数@@。

RF 滤波器@@谐振器耦合系数是决定声学耦合滤波器@@带宽的@@关键因素@@。在@@SMR或@@FBAR配置中@@@@，提高@@BAW滤波器@@谐振器的@@耦合效率可以在@@小封装尺寸下@@提供低插入损耗@@和@@高性能@@。

有效耦合系数@@（K2eff）是测量谐振频率@@@@（ƒs）和@@抗谐振频率@@@@（ƒp）之间的@@相对间距的@@一种指标@@。它的@@值取决于许多因素@@，包括电极和@@压电特性@@。

机电耦合系数用于测量压电式器件在@@将电能转化为机械能时@@的@@效率@@，反之亦然@@。互能@@，或@@可转换能@@，是弹性能和@@介电能@@。为了使@@滤波器@@谐振器的@@耦合系数达到最大@@，提供的@@声能反射应尽可能接近谐振器@@，这一点至@@关重要@@。例如@@在@@@@BAW滤波器@@中@@@@，谐振器的@@有效耦合系数@@决定了滤波器@@可获得的@@平坦通带@@带宽@@。

了解滤波器@@封装@@

在@@许多应用中@@@@@@，射频前端@@ (RFFE) 的@@表面积在@@不断缩小@@。之所以出现这种变化@@，主要是因为@@器件尺寸不断缩小@@，以及需要为更多消费电子功能腾出空间@@。

如今的@@大多数封装都是模块@@和@@单片集成@@，或@@者两者的@@组合集成@@。下@@图@@展示了一个高度集成的@@模块@@@@，包括功率放大器@@、BAW 滤波器@@和@@天线开关@@。这个模块@@又会集成到更复杂的@@系统级封装@@ (SiP) 中@@。而这只是常规应用中@@@@单个@@SiP内集成的@@多个复杂模块@@中@@的@@一个@@。

图@@5：SiP内部的@@复杂@@RF模块@@

在@@了解@@ RF 滤波器@@技术@@@@的@@一些重要基础概念之后@@，更多系统工程师使@@用@@滤波器@@技术@@@@的@@实例将逐步呈现给大家@@。

文章来源@@：Qorvo半导体@@

『这个知识不太冷@@』探索@@ RF 滤波器@@技术@@@@（上@@）

judy — Fri, 29 Dec 2023 06:23:15 +0000

『这个知识不太冷@@』系列@@，旨在@@帮助小伙伴们唤醒知识的@@记忆@@，将挑选一部分@@Qorvo划重点的@@知识点@@，结合产业现状解读@@，以此温故知新@@、查漏补缺@@。

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@@。

本篇内容将介绍@@RF滤波器@@的@@@@工作原理@@，以及如今的@@应用中@@@@使@@用@@的@@各种技术@@版本@@。首先介绍关于滤波器@@的@@@@一些基本实情@@，以及它们带来的@@益处@@。

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@@。

» 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@@：

» 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@@@@。LC188足彩外围@@app 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）188足彩外围@@app 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@@……

限于篇幅@@，更多有关@@滤波器@@的@@@@温度系数@@、Q因数@@、耦合系数等@@精彩内容将在@@@@《探索@@ RF 滤波器@@技术@@@@（下@@）》继续探讨@@，一定要留意我们的@@推文哦@@~

本文转载自@@：Qorvo半导体@@

RF滤波器@@