滤波器在各种领域应用及行业市场发展分析[图]

    滤波器一直是射频信号处理的重要部件，并且随着通信时代的更迭用量在不断增加。3G网络的通信频段有5个，而根据3GPP的更新，4GLTE已经增加到了52个波段，5G的标准还没有最终确定，但是5G的加入会让已经很密集的频谱更加拥挤。虽然对于单个手机来说要做到支持全球所有频段很不实际，但是想要做到国际通用的功能丰富的机型，就需要在2G、3G和4G的发射和接收路径上做到多达15个频段的支持，同时也要支持WiFi、蓝牙和全球导航卫星系统（GNSS）。像这样的4GLTE手机就需要30到40个滤波器。在5G时代，这个数字将会增加到60个以上。

    滤波器的作用是通过特定频率的信号，让其他频率的信号受阻。按照可以通过信号的类型可以分为四种类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器以及带阻滤波器。带阻滤波器也叫做陷阻滤波器。

滤波器按通频分类

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滤波器按材料分类

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    总的来看，设计者对滤波器追求的特性是低插入损耗，快速过渡到最终滚将，以及高带外抑制。滤波器的插入损耗受制于多个因素，如滤波器带宽和中心频率，阶数以及构成器件的品质因子。

滤波器的各项指标

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    一、4GLTE中的滤波器

SAW滤波器基础

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    SAW滤波器被广泛应用在2G和3G接收机前端、双工器以及接收机滤波器。SAW滤波器具有低插入损耗、高抑制和宽带的特点，相比于传统腔体滤波器和陶瓷滤波器尺寸也非常小。由于SAW滤波器采用晶圆制作的方式，还具有量产低成本的优势。不同频带的滤波器和双工器可以通过SAW技术直接集成在单个芯片上。

    此处不得不提的是压电效应，压电效应存在于具有一定对称性的晶体中。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。电能和机械能之间的转换可以说是十分高效的，能量损失非常微小。

    在固态材料中，交替的机械变形可以产生速度为3000到12000米每秒速度传播的声波。在声波滤波器中，如果品质因子Q值可以高达几千，则可以形成驻波。这些高Q谐振是声学滤波器实现的频率选择性和低损耗的基础。在SAW滤波器上，电信号输入，通过交错金属叉指换能器（IDTs）在压电材料衬底上转换为声波。常见的压电材料基材有石英，钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）。

    SAW滤波器可以覆盖高达1.9GHz的频率应用，适用于GSMCDMA2G和部分4G频带。除此之外，WLP封装也已用来封装SAW，使得它的体积小巧，可以同时与双工器或者多带形式集成。但是SAW滤波器在高频应用下的劣势是很明显的，1GHz以上其选择性下降明显，超过2.5GHz时，SAW只能满足一般性应用需求而难以满足高性能要求。同时，它的工作状态对温度敏感，基材的刚性在高温时会下降从而导致声速减弱。温度上升时SAW滤波器的频率响应可能会下降4MHz之低。随着保护带（guardband）变窄、在消费设备应用的宽温度范围要求（通常，-20°C至85°C）下，这种限制变得更加显着。

    二、BAW体声波滤波器

    BulkAcousticWave(BAW)滤波器也叫做体声波滤波器，不同于SAW滤波器，BAW滤波器的声波传播方向是垂直的。BAW谐振器通过石英晶体作为衬底，在上层和下层覆盖金属贴片来激发声波，从顶部表面反弹到底部表面形成驻波声波。谐振频率是由衬底板厚度和电极质量决定的。高频的BAW滤波器中压电层必须做的很薄，几微米的厚度，这要求谐振结构必须使用载体基板上的薄膜沉积和微加工。

    BAW滤波器具有低插入损耗，因此有助于弥补与单个智能手机中支持多频段带来的高损耗。除了改善信号接收外，更低的损耗也有助于延长电池寿命。BAW在上行链路和下行链路分离最小的应用以及紧密压缩的相邻频带中需要衰减的应用中表现优异。

BAW滤波器基础

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    为了防止能量从衬底处损失，可以通过交替堆叠不同刚性和密度的薄层来形成声学布拉克反射器。这种方法就称为固定安装的谐振器BAW。布拉格反射器是由具有不同折射率的多层交替材料形成的结构。另一种称为薄膜体声谐振器（FBAR）的方法是在有源区域下方蚀刻空腔，从而形成悬浮膜。

    FBAR滤波器是filmbulkacousticresonator滤波器的简称，不同于以前的滤波器，FBAR是使用硅底板、借助MEMES技术以及薄膜技术而制造出来的，现阶段的FBAR滤波器已经具备了略高于普通SAW滤波器的特性。

    两种类型的BAW滤波器都可以实现非常低的损耗，因为它们的声能密度非常高并且可以非常好地捕获声波。它们可实现的Q值在2GHz时仍然可以高达2500，高于在其他类型的微波滤波器。即使在要求苛刻的通带边缘，带外抑制和插入损耗性能方面依然表现优秀。

BAW滤波器横截面示意图

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    FBAR和BAW-SMR之间的根本区别在于如何捕获声能。对于FBAR，谐振器的两个空气/晶体界面确保适当的声波捕获。在BAW-SMR中，谐振器下方的布拉格反射器可以有效地捕获声波。二者之间另一个主要区别是器件产生的热量的热路径。在BAW-SMR中，热量具有进入基板的传导路径，从该传导路径可以传播。在FBAR中，因为谐振器的每一侧都存在气腔，所以热传导能力较弱。

    与SAW器件相比，它们的性能随温度变化较小。反射器中使用的SiO2将BAW的整体温度漂移降低，远低于传统SAW或FBAR滤波器所能达到的温度漂移。BAW器件能够实现更高的功率密度，使紧凑型器件能够处理高达10W的功率，为小型蜂窝基站应用提供充足的功率处理能力。

    三、5G滤波器

5G相比于4G对手机中收发机架构的影响

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    如今的4GLTE制式下的智能手机可以支持超过30个频段，需要60个以上滤波器，其中大部分采用复用器的形式存在。数量如此之多的滤波器不近占据大量空间，还拥有高昂的成本，器件制造商既要满足性能，也要维持低成本要求，可以说已经是很大挑战。4G制式中的滤波器器件大部分是基于SAW和BAW结构。在低频时，SAW滤波器可以满足低插入损耗和带外抑制要求，覆盖宽带、且体积小巧。但是在5G制式下的sub-6GHz和毫米波波段，SAW滤波器很难满足其需求。SAW滤波器在2GHz以下性能优势明显，但是在高频应用中，只能满足例如GSM、CDMA、3G无线接收前端等要求并不苛刻的应用中。我们也在前面提到，SAW滤波器对温度也很敏感。通常SAW滤波器在手机中的工作频率为600MHz到2GHz，BAW滤波器工作在1.5GHz到6GHz，因此二者的应用都被限制在6GHz以下。

    滤波器面临的挑战是，可以在不同频率进行动态切换。采用非载波聚合技术的情况下，即使通信频段可以高达30个频段，也是只有一个滤波器进行工作，其他的滤波器处于关断状态。但是在载波聚合的情况下，以2个CC为例，就可能有四种复杂的情况进行频率组合。CC数量越多，情况越是复杂，滤波器需要配合其他频段的CC滤波器进行工作，可以采用的形式除了双工器之外，还有三工器，四工器，甚至更复杂的形式结构。

    目前手机中所采用的零中频或者直接下变频收发机依赖于CMOS技术。这种结构采用的器件数量少、线性度高，适用于复杂调制结构。对于其中的滤波器来说，性能要求很高，但是每个通信频段只需要两个滤波器或者一个双工器。对于早期的3G手机，只有3或4个频段，滤波器可以满足其要求。但是4G的同频频段有30个以上，滤波器的数量和成本都大幅度增加。而且对于毫米波来说，直接下变频和直接处理高频信号都是很大的挑战。因此毫米波中更多的采用的是传统超外差射频架构。

直接变频或零中频接收机框图

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    四、Sub-6GHz滤波器

    对于5G中的3.5-6.0GHz新频段，频率与当前的4G高频段接近，因此更有可能采用直接下变频的无线电解决方案。但较高的频率依然会给高频段无线器件性能带来压力，但是基本的直接下变频架构将保持不变。从滤波器的角度来看，更高的频率会给表面声波（SAW）滤波器的带来不小阻碍，其高频劣势在2.5GHz频带上已经体现了出来。因此3.5-6.0GHz更有可能采用BAW和温度补偿BAW（TC-BAW）滤波器。不过高频率的影响也会对BAW滤波器起作用，因为声学损失随频率的平方在急剧增加。

BAW滤波器中电学和声学损耗受频率变化的影响

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    五、毫米波滤波器

    在毫米波频率下，声学滤波器不再适用，这是由于毫米波频率下声学损失增加，并且缩放尺寸不切实际。其波长开始变得足够小，因此毫米波的滤波器技术是基于EM技术的。

波导滤波器3D建模及幅度响应

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    现有用于20GHz和80GHz之间的高性能滤波器通常分为两种结构，波导滤波器和腔体滤波器。对于大多数毫米波无线电，这些滤波器具有以厘米为单位的尺寸，但是毫米波需要毫米级尺寸。现在市场上正在向小型化毫米波滤器过度。波导滤波器的优点是可以与现有CMOS技术兼容。但是基板的性能会影响滤波器性能，所以关键在与基板材料的优化。腔体滤波器通常比平面波导滤波器在设计上难度更大。但是腔体滤波器在优化滤波器性能和功率处理方面有其独特优势。与平面波导一样，设计者一直在努力使腔体滤波器小型化，但是它在成本方面可能优势不大。平面波导和腔体滤波器都难以实现小尺寸，这是由于被滤波掉的EM波的波长尺寸较大，因此滤波器尺寸要求也很大，所以这些毫米波滤波器尺寸可能比低频带声波滤波器大。然而，由于之前提到的无线电架构挑战，无线电所需的滤波器数量可能要少得多。

    六、滤波器市场

    4GLTE智能手机中滤波器的急剧增加，同时SAW和BAW滤波器制造商提出了挑战。主要的滤波器供应商大幅提高了其制造能力，甚至增加几倍才能满足需求。有些供应商的前端模块的生产甚至受到滤器供应限制。

    SAW的主要供应厂商包括Murata，Skyworks（来自Panasonic），RF360Holdings（高通/TDK-EPCOS合资企业），Qorvo和TaiyoYuden，以及全球其他几家小型SAW制造商，其中一些提供代工服务。这为大多数模组生产商提供了可用资源的灵活性。标准的传统的SAW制造工艺在市场上的区分度不大，主要的区别在于设计方案。然而，随着性能需求的增加，需要诸如温度补偿TC和更高频率的解决方案，先进的SAW工艺会变得越来越复杂，并且会在制造商之间差别越来越大，这也会使得SAW工艺相对于BAW的成本优势受到削弱。

    Broadcom（来自Avago）和Qorvo（来自TriQuint）是智能手机领域中仅有的两家批量供应商，因此BAW滤波器的供应商的规模要小得多。Broadcom凭借其FBAR技术在滤波器体积和器性能方面处于领先地位。Qorvo拥有SMR技术，并且与FBAR的性能差距很小，因此占据了第二的位臵。两家公司在过去十年中都增加了大量产能以满足滤波器市场的增长。并且这两家公司都将其制造工艺从150毫米晶圆转变到200毫米晶圆，且两家公司都积极并购硅晶圆厂以满足未来的预期需求。由于BAW工艺的复杂性，BAW技术的进入壁垒明显高于SAW。除了工艺流程的复杂性之外，两家公司都拥有涵盖该技术的知识产权IP。2009年至2012年期间，Avago和TriQuint就BAW技术专利进行了大的法律诉讼，最终达成了交叉许可协议。之后两家公司积极增加各自的专利组合，这进一步提高了技术门槛。然而，BAW滤波器市场的前景依然非常可观，Skyworks，RF360Holdings和TaiyoYuden也宣布将会提供基于BAW的产品。初创公司Akoustis通过使用单晶AlN开发了一种非常高性能的BAW技术，在此前其他供应商使用的则是多晶AlN方案。

    Akoustis技术公司(前称为Danlax,Corp.)是根据美国内华达州法律于2013年4月10日注册成立，总部设在北卡罗来纳州的亨茨维尔。2015年4月15日，公司更名为Akoustis技术公司。2017年3月，登陆纳斯达克。

    目前Akoustis已经宣布推出了三款商用滤波器产品：第一款是用于三频WiFi路由器应用的商用5.2GHzBAWRF滤波器；第二款是针对雷达应用的3.8GHzBAWRF滤波器；第三款AKF-1652是针对未来4GLTE和5G移动设备5.2GHzBAWRF滤波器。

AkousticXBAW单晶体滤波器在1-7GHz频率的应用

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    虽然目前我们所讨论的滤波器技术都不直接涉及化合物半导体，但在整个系统设计中，由于性能需求，大量的器件会使用化合物半导体设计。对sub-6GHz以下频段，基于现有的架构，使用化合物半导体工艺可以具有更高的性能。对于20GHz以上的毫米波频率，会根据应用选择性使用化合物半导体器件优化系统设计。载波频率进行上下变频时，还可能需要用到混频器和压控振荡器之类的器件，这些都可能采用化合物半导体制造工艺，这都是为了支持5G制式可能采用的架构所用到的部件，而4G中这些组件不在移动设备中使用。

    5G制式下声学滤波器的限制显得更加关键。BAW滤波器目前应用在2.5-3.5GHz，5G制式下将会占领3.5-6.0GHz。随着频率增加到6.0GHz，性能挑战将会非常明显。为了避免滤波器性能在高频时的下降，必须开发改进型声学谐振器技术。SAW滤波器将会沿用当前工艺，在改进的同时继续在低频区域占据成本优势。SAW滤波器将主导5G中新出现的600-700MHz频段。依据目前的技术现状，还没有可以替代SAW和BAW滤波器的其他可用的先进滤波器技术，因此在未来5年之内目前的手机收发机架构不会发生本质性变化。

    对于27GHz以上的毫米波频率，滤波器的挑战将是巨大的。目前的高性能毫米波滤波器确实存在，但大多数的尺寸和重量并不适用于与移动设备。小型化EM波导和腔体滤波器的新技术开始出现。腔体滤波器的预期性能应高于EM波导滤波器，但是EM波导滤波器可以使用薄膜工艺，有低成本优势。

    相关报告：智研咨询发布的《2019-2025年中国电感滤波器行业市场运营态势及发展前景预测报告》