B39911B8769P810滤波器信号调节器,信号调器

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一、声学滤波器市场分析

随着全球联网设备增多，射频前端系统需求量增多，滤波器的需求量自然增多。千亿级设备连接，
这是物联网应用的网络需求，未来全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。根据IMT-2020
5G推进组预测，到2020年全球移动终端（不含物联网设备）数量将超过100亿，其中中国将超过20亿。

射频频段增多，滤波器的需求量自然增多。从1G-->2G-->3G-->4G，再到5G，射频的频段不断增多，
其射频器件的应用数量也快速增加。从射频前端使用滤波器的数量来看，随着频段数量的增加，射频滤
波器件的需求量也相应增加。

中国移动要求的5模13频分为8个FDD频段和5个TDD频段。因为FDD是频分复用的，需要含有接收器、
发射器的双工器，同时接收还需要一个单独的滤波器，所以一个频段需要3个滤波器，总共24只。TDD
模式5个频段，每个频段需要一个发射以及一个接收的滤波器，共10个。再加上手机上的wifi、GPS、
蓝牙等，滤波器数量达到30-40个。

声表面波/体声波滤波器

声表采用将电能转换为表面声波的方式，利用声波共振效应实现的滤波。该声表面波滤波器的特点是体积非常小，
Q值相对LC高，采用半导体工艺适合批量生产。一只800MHz左右的滤波器体积大概只有一个0805电容大小。其
缺点是功率容量小，不适合小批量定制产品，研发周期长，研发成本高。

螺旋滤波器:

螺旋滤波器是一种半集总参数的滤波器，其采用放置在空腔内的螺旋电感的自谐振来实现谐振器，通过相邻谐振器的空间磁场实现耦合。

其优点是：体积较腔体小，Q值、功率容量较LC高。其缺点是：较难实现宽带，高频部分电感不易实现。

螺旋滤波器通常用在500MHz以下20%相对带宽，100W平均功率，对插损有一定要求的场合。

纹波：滤波器通带内S21曲线起伏的波峰与波谷之间的差值。

介质滤波器

介质滤波器是采用介质填充的四分之一波长短路线或者二分之一开路线实现的半集总滤波器。其优点是Q值较LC高，可以实现较LC
滤波器频率高的滤波器。其缺点是寄生较近，谐振器需要定制。

交指滤波器最大的特点是可以实现宽带，如果采用冗余谐振杆，考虑到机加可是线性，其相对带宽通常可以宽达60%。同时在K波段时，
宽带的梳状滤波器机加基本无法加工并且调试螺钉无法放置，因此在该条件下通常采用交指结构。交指结构与梳状相比其寄生通带较近，
通常其寄生通带在1.8F0左右。同体积下，交指滤波器较梳状滤波器功率容量大。

滤波器是无线通讯系统必不可少的关键性部件。

滤波器种类繁多，各种滤波器具有不同的性能特点，因此在滤波器选择时，通常需要综合考虑客户的实际使用环境以及客户性能需
求才能做出正确、有效、可靠的选择。

在客户对滤波器指标概念比较模糊时，通常需要询问客户体积、损耗、带外需要抑制的频率以及抑制度、功率容量等。根据这几个
简单的指标要求基本可以判断出滤波器种类。

SAW滤波器应用
功能：滤波，让需要的信号通过，滤除不需要的信号。

应用：

电视机，无绳电话，手机（每只手机中有声表滤波器3-5只）CATV网络（通过CATV上网可使信息传输速度提高几十倍以上）
光纤通信系统时钟恢复卫星通信及定位（GPS）系统扩频通信系统通信侦查压缩接收机 脉冲压缩雷达系统电子侦察用信道化
接收机导航系统无钥匙进入和保密警戒系统遥测压控系统其它声表产品声表面波滤波器组。

一款高端智能手机必须要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时要滤波的还包括：
Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收路径。必须对各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信
号进行抑制。要做到这点，一款多频段智能手机需要4或6个滤波器和多个双工器。如果没有声滤波技术，这将难以实现。

不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播（图3）。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。在BAW滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，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。

SAW Filter 与 BAW Filter 的区别

SAW 是声表面波滤波器，在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面传播，在输出端由逆压电效应将声信号
转换为无线信号
BAW 是体声波，采用FBAR技术，原理基本同SAW，唯一的区别是声信号在介质内部传输，故体积可以做的更小（介质的
介电常数大于空气）。
BAW相对来说性能可能更好一些，q值，相位噪声，体积小等，同时加工起来更难，属于超精细加工。BAW有3层，上下为
金属电极，中间为压电材料，谐振在2G左右的厚度大概为（0.1um（电极），3um（压电层），0.1um（电极）），所以加
工难度较大，成本目前还是较高。

频率较高时，如3G时，一般采用BAW，而当频率在1900MHz以下时，通常采用SAW就能够满足要求。

1 声表面滤波器的应用及装配要求

声表面滤波器（简称SAW）主要作用原理是利用压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器（Transducer）将
电波的输入信号转化成机械能，经过处理后，再把机械能装换成电信号，以达到过滤不必要的信号，提升收讯品质
的目的。声表面滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和质量轻等特点，并且可采用与集成电路
相同的生产工艺，制造简单，成本低。与传统的LC滤波器相比，其安装更简单、体积更小。缺点为插损比LC谐振
电路大。

通过对声表面滤波器的装配方法不断地进行改进，测试装配后的电性能指标，可得出如下结论：

1）传统工艺方法操作简单，滤波器工作频率较低时，滤波器性能指标基本满足要求。

2）两种改进型工艺方法，都存在接触面间隙压紧的随机变量，安装操作的好坏起到决定因素。滤波器工作频率较高时，
滤波器性能指标基本满足要求。采用压片螺钉拉紧形式，增加结构位置，不易于模块小型化。

3）优化型工艺方法，通过再流焊将滤波器接地面底座与印制板可靠焊接，彻底消除了接触面间隙压紧的随机变量，
指标得到极大优化。滤波器性能不受人为因素影响。

针对声表面滤波器不同的应用环境，我们可以采用不同的装配工艺方案，若应用在频率较低的情况下，可采用压紧后
手工焊接，并在金属壳体边缘与印制板之间点锡加焊的方式装配；而在应用环境频率较高的情况下，可采用回流焊接的
装配工艺，将声表面滤波器的接地底座与PCB焊接，减小电磁干扰的影响，提高产品的电性能指标。

1、SAW Filter

声表面波（SAW）滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。SAW滤波器集低插入
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。



存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及“发电机”。当对这种晶体施以
电压，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时，机械能又转换
为电能。在晶体结构的两面形成电荷，使电流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的
这种转换的能量损耗极低，无论电/机还是机/电能量转换，效率都可高达99.99%。



在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内，对声波进行
导限以产生极高品质因数（Q值可达数千）的驻波（standingwaves）。这些高Q值的谐振是声滤波器
的频率选择性和低损耗特性的基础。


在一款基础SAW滤波器中，电输入信号通过间插的金属交指型换能器（IDT）转换为声波，这种IDT是
在诸如石英、钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）等压电基板上形成的。在一款非常小设备内，IDT
的低速特性非常适合众多波长通过。

全球声学滤波器技术发展趋势

一、TC-SAW

对于声表面波器件来说，对温度非常敏感。在较高温度下，衬底材料的硬度易于下降，声波速度也因此下降。
由于保护频带越来越窄，并且消费设备的指定工作温度范围较大（通常为-20℃至85℃），因此这种局限性的
影响越来越严重。

一种替代方法是使用温度补偿（TC-SAW）滤波器，它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强
的涂层。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、制造成本也相对更高。

目前TC-SAW技术越来越成熟，国外大厂基本都有推出相应产品，在手机射频前端取得不少应用，而国内的工
艺仍需要摸索。

二、高频SAW

普通SAW基本上是2GHz以下，村田开发出克服以往声表面波弱点的 I.H.P.SAW（Incredible High Performance
-SAW）。村田意将SAW技术发挥到极致（4GHz以下），目前量产的频率可达3.5GHz。

I.H.P.SAW可以实现与BAW相同或高于BAW的特性，并兼具了BAW的温度特性、高散热性的优点，具体如下：

1） 高Q值：在1.9GHz频带上的谐振器试制结果显示，其Q值特性的峰值超过了3000，比以往Qmax为1000左右的
SAW得到了大幅度的改善。

（2）低TCF：它通过同时控制线膨胀系数和声速来实现良好的温度特性。以往SAW的TCF转换量非常大（约为-40
ppm/℃），而 I.H.P.SAW可将其改善至±8ppm/℃以下。

（3）高散热性：向RF滤波器输入大功率信号后IDT会产生热量，输入更大功率则可能因IDT发热而破坏电极，从而
导致故障。 I.H.P.SAW可将电极产生的热量高效地从基板一侧散发出去，可将通电时的温度上升幅度降至以往SAW
的一半以下。低TCF和高散热性两种效果，使其在高温下也能稳定工作。

新型体声波滤波器

目前市面上的体声波滤波器基本上基于多晶薄膜工艺。而初创公司Akoustis Technologies, Inc.
发明的Bulk ONE? BAW技术是采用单晶AlN-on-SiC谐振器，据称性能能够提升30%。

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5.2 GHz BAW RF滤波器；第二款是针对雷达应用的3.8 GHz BAW RF滤波器；第三款AKF
-1652是针对未来4G LTE和5G移动设备5.2 GHz BAW RF滤波器

封装微型化滤波器

滤波器的封装微型化主要是指的是采用晶圆级封装技术。
Qorvo的CuFlig互联技术使用铜柱凸点代替线焊。晶圆级封装滤波器取消了陶瓷封装，可以实
RF360公司DSSP（Die-Sized SAW Packaging，裸片级声表封装）和TFAP技术（Thin-Film
Acoustic Packaging，薄膜声学封装技术)，实现了产品微型化，并可提供2in1，甚至4in1的
滤波器模组。现尺寸更小，设备更轻薄。


不同产品类别的新的标准封装尺寸：双工器1.8mm*1.4mm，2in1滤波器：1.5mm*1.1mm，
单一滤波器：1.1mm*0.9mm。


射频前端集成化模块化

国际大厂一直致力于射频前端的集成化及模块化，比如高通RF360方案；Murata将滤波器、
RF开关、匹配电路等一体化的模块；Qorvo RF Fusion解决方案等。

高通POP3D设计采用先进的3D封装技术，单一封装内集成了单芯片多模功率放大器和天线开
关（AS），并将滤波器和双工器集成到一个单一基底中，然后将基底置于基础组件之上，整
合成一个单一的“3D”芯片组组合，从而降低了整体的复杂性，摒弃了当今射频前端模块中
常见的引线接合。


Qorvo RFFusion解决方案包含三种模块化解决方案，实现高、中、低频段频谱区域全覆盖。
各模块都集成了功率放大器 (PA)、开关和滤波器。