關(guān)于BAW與SAW RF濾波器

*本篇文章首發(fā)于Mouser Electronics網(wǎng)站，作者為Jean-Jacques（JJ）DeLisle

為何需要RF濾波器？

射頻（RF）濾波器是所有RF/微波系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，特別是具備多個信道或頻段的無線通信系統(tǒng)。RF濾波器的主要功能是衰減某些不需要頻段中的信號，而只對所需頻段中的信號產(chǎn)生最小的影響。

RF濾波器至關(guān)重要；因為在許多情況下，不良信號（稱為干擾）會導(dǎo)致系統(tǒng)功能下降甚至損壞。在無線通信系統(tǒng)中，接收器輸入端使用各類RF濾波器來衰減所需頻段之外的信號。RF濾波器還用于減少來自發(fā)射器電路的諧波、雜散內(nèi)容和帶外泄漏。在智能手機(jī)等現(xiàn)代電子產(chǎn)品的許多應(yīng)用場景下，這些設(shè)備均配備數(shù)種無線通信技術(shù)；如果不使用RF濾波器進(jìn)行適當(dāng)隔離，這些技術(shù)間可能會產(chǎn)生相互干擾——即所謂的共存設(shè)計挑戰(zhàn)（圖1）。

圖1：5G智能手機(jī)示例圖

哪些應(yīng)用需要RF濾波器？

由于大多數(shù)現(xiàn)代通信技術(shù)的緊湊設(shè)計限制了物理隔離，工程人員采用RF濾波器來增強(qiáng)所需的隔離效果，并確保這些產(chǎn)品符合必要的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)可以是國家和國際監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的規(guī)范，例如美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）和全球電子通信委員會（ECC），以及Wi-Fi、4G/5G、藍(lán)牙?和Zigbee等無線標(biāo)準(zhǔn)。許多現(xiàn)代電子產(chǎn)品還部署了要求額外濾波的特定功能，如全球定位系統(tǒng)（GPS）和其它地理定位技術(shù)，以及近場通信（NFC）技術(shù)。

考慮到現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)尺寸極其緊湊的特點，也因此需要高度緊湊的濾波器；即便如此，這些濾波器仍要求較高的Q因數(shù)（品質(zhì)因數(shù)），并可以很容易地集成至濾波器組，來用于多頻段濾波應(yīng)用。在許多情況下，每個頻段都需要不同的RF濾波器，以盡量減少串?dāng)_并減輕非線性。為滿足這一需求，工程師們經(jīng)常使用聲波濾波器（AWF）。

本質(zhì)上，AWF由壓電基板上的電聲換能器構(gòu)成，可以將電能轉(zhuǎn)化為聲能/機(jī)械能，反之亦然?；谶@種方式，AWF將高頻信號轉(zhuǎn)換為聲波信號，然后通過聲學(xué)諧振器和濾波技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終轉(zhuǎn)換回高頻信號。與其它電磁濾波器技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于聲波現(xiàn)象比電磁濾波現(xiàn)象大約小五個數(shù)量級。實際上，這些因素導(dǎo)致聲學(xué)濾波器在類似的性能下可以比傳統(tǒng)電磁濾波器小一個數(shù)量級。

AWF包含兩種主要類型——體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器——其使用叉指式換能器轉(zhuǎn)換電和聲學(xué)信號。BAW濾波器引導(dǎo)信號能量通過基板的主體，而SAW濾波器引導(dǎo)信號能量沿基板表面?zhèn)鬟f。雖然這種區(qū)別起初看起來很簡單，但現(xiàn)實中，不同的方法會導(dǎo)致性能和頻率能力的顯著差異。

由于制造過程主要包括表面結(jié)構(gòu)的開發(fā)，SAW濾波器的設(shè)計和制造通常不那么復(fù)雜。相反，BAW濾波器則需要精確控制基板厚度與分層結(jié)構(gòu)，例如在堆疊中精確間隔的聲反射器。

然而，由于表面電聲轉(zhuǎn)導(dǎo)的物理限制，與BAW濾波器相關(guān)的相對尺寸和物理特性允許它們能夠被設(shè)計成比SAW技術(shù)更高的頻率操作和更高的Q因數(shù)。此外，BAW濾波器可以利用與標(biāo)準(zhǔn)IC加工系統(tǒng)兼容的技術(shù)制造，并且通常表現(xiàn)出更高的功率處理能力。盡管有些SAW濾波器技術(shù)結(jié)合了溫度補(bǔ)償設(shè)計功能，或以其它方式制造，以盡量減少溫度敏感性，但BAW濾波器的溫度漂移仍比SAW濾波器低。

一般來說，SAW濾波器可以在實際中制造用于2000MHz或2500MHz的頻率；相比之下，BAW濾波器可達(dá)到10GHz甚至更高。因此，SAW和BAW技術(shù)在100MHz和大約2500MHz的頻率范圍內(nèi)存在直接競爭。

工程師何時會使用BAW與SAW？

在為特定應(yīng)用選擇濾波器時，必須了解濾波器應(yīng)用的要求并解讀濾波器的電氣規(guī)格。每個濾波器應(yīng)用都會對中心頻率、帶寬、所需信號電平和抑制要求等提出需求。系統(tǒng)工程師通常會列出這些系統(tǒng)要求；工程人員在選擇濾波器時，要確保濾波器在保持預(yù)算的前提下滿足這些要求，并制定一個將濾波器納入系統(tǒng)設(shè)計中的計劃。對于現(xiàn)代無線設(shè)備，通常涉及到設(shè)計由許多濾波器組成的濾波器組，以滿足嚴(yán)格的要求和符合無線與監(jiān)管機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

以下為RF濾波器設(shè)計的關(guān)鍵電氣規(guī)格：

濾波器類型（低通、高通、帶通、陷波/通抑制）

通帶頻率（Hz）

抑制頻率（Hz）

抑制或帶外抑制（dB）

衰減（dB）

插入損耗（dB）

隔離度（dB）

選擇性（dB）

Q因數(shù)

紋波（dB）

輸入功率處理（dB）

輸入和輸出阻抗匹配（歐姆）

大多數(shù)無線通信標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)帶通濾波器與其它幾個帶通濾波器串聯(lián)使用，以實現(xiàn)多頻段濾波。這已成為SAW和BAW濾波器一個應(yīng)用廣泛的典型場景；因為與其它濾波器技術(shù)相比，其緊湊的尺寸允許相對較小的濾波器組。這些帶通濾波器的作用是減少接收器所接觸到的帶外信號內(nèi)容。這是一個重要的功能，因為帶外頻率內(nèi)容會形成具有較低信噪比（SNR）或較高誤碼率（BER）的脫敏接收器。此外，濾波器常用在發(fā)射器輸出端，以減少由相對較高功率的發(fā)射器設(shè)備產(chǎn)生的非線性結(jié)果，如諧波和尖峰。濾波器的這一輔助應(yīng)用增強(qiáng)了鄰道泄漏比（ACLR）和鄰道功率比（ACPR）。此外，通過此種濾波器使用方式，原本無法通過無線標(biāo)準(zhǔn)測試的無線發(fā)射器可能會通過測試，而無需大量的重新設(shè)計工作。

還有一些情況是，一部已被設(shè)計和部署的無線通信系統(tǒng)在早期評估中并未被發(fā)現(xiàn)實地運行時會面臨的挑戰(zhàn)。在這種情況下，如果能夠通過更嚴(yán)格的濾波來解決，則可以利用增強(qiáng)的濾波器來升級無線電，以緩解這些問題。例如，如果無線電在關(guān)鍵工作頻段附近遇到干擾，那么具備更高Q因數(shù)和更佳的帶外抑制能力的濾波器將帶來比現(xiàn)有濾波器更好的操作。

一般來說，SAW濾波器比BAW濾波器便宜，而且市場上存在大量的SAW濾波器可供選擇。SAW濾波器一般不提供超過250MHz的工作頻率。然而，如果設(shè)計中需要最強(qiáng)的性能或更高的工作頻率（例如，在3G、4G、Wi-Fi 6E和sub-6GHz 5G的更高頻率），那么BAW濾波器是更好的選擇（圖2）。BAW濾波器的設(shè)計通常是為了獲得相比SAW濾波器更高的頻率操作和更優(yōu)秀的通帶衰減、帶外抑制、功率處理，以及Q因數(shù)。

圖2：BAW與SAW多路復(fù)用器濾波器的比較

是否有針對特定應(yīng)用的專用濾波器？

SAW和BAW濾波器必須精確設(shè)計以實現(xiàn)所需的操作。針對某個特定應(yīng)用，可以定制SAW和BAW濾波器并量產(chǎn)。幸運的是，BAW和SAW濾波器制造商非常傾向于設(shè)計并量產(chǎn)滿足Wi-Fi和4G LTE/5G等各類市場和應(yīng)用需要的專用SAW和BAW濾波器。特定的BAW和SAW濾波器也是為了應(yīng)對無線標(biāo)準(zhǔn)共存的突出挑戰(zhàn)，如Wi-Fi和低功耗藍(lán)牙?（LE）。

一個廣泛使用的聲學(xué)濾波器的例子是用于5G NR TDD頻段n79的Qorvo QPQ4900 BAW濾波器（圖3）。這一子帶通BAW濾波器，專為附近可能存在Wi-Fi 6E無線網(wǎng)絡(luò)潛在干擾場景下的宏基站與小型基站而設(shè)計。另一個例子是Qorvo QPQ1063 GPS SAW雙工器，設(shè)計用于L1/L2 GPS頻段。

圖3：Qorvo QPQ4900 n79子頻段BAW濾波器

結(jié)論

RF濾波器是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件；它們衰減不需要的頻段，以盡量減少干擾并確保系統(tǒng)的正常功能。由于技術(shù)的物理限制，RF濾波器并不總十分理想，并可能會導(dǎo)致通帶頻率的一些損失。聲波濾波器，特別是BAW和SAW濾波器，由于其小尺寸和高Q因數(shù)而成為備受歡迎的選擇。SAW濾波器的設(shè)計和制造并不非常復(fù)雜，而BAW濾波器帶來更高的頻率操作和更強(qiáng)的Q因數(shù)性能。工程師們必須考慮其濾波應(yīng)用的要求和濾波器的電氣規(guī)格——如濾波器類型、通帶、阻帶，和插入損耗——來為他們的系統(tǒng)設(shè)計選擇合適的濾波器。

本文轉(zhuǎn)載自： Qorvo半導(dǎo)體微信公眾號

審核編輯 黃宇