滤波器介绍

随着其他移动设备必须支持的射频频带数量急剧增加。为避 4G LTE 网络的快速扩张与 Wi-Fi 的普及，智能手机和免相互干涉和掉话现象，必须使用滤波器将每台设备内部的射频

频带相互隔离。然而，随着各国政府分配的有限频谱越来越靠近已有频带，并且往往只有极少甚至没有保护频带，因此频带隔离的难度越来越大。也因此，滤波器的挑选成为下一代智能手机和移动设备设计者的主要考虑因素之一。

本文介绍了目前解决不同滤波问题的各种滤波技术，以及这些技术方案如何发展成为推动全球 LTE 网络转型的重要因素。

第 1 章 射频滤波器基础知识

在本章，您将了解射频滤波器：什么是滤波器、为什么需要滤波器、滤波器的不同类型与设计、重要的性能影响因素以及双工的作用。

什么是滤波器？

随着移动无线数据和 4G LTE 网络的快速扩张，为承载无线通信量，对新频带的需求与日俱增。 3G 网络使用的频带只有五个，而4G LTE 频带已超过 20 个，并且在不久的将来，还可能增至 40 个以上。

尽管要在一台智能手机上支持全世界所有的频带是不现实的，但是作为一台功能丰富的国际通用手机，可能需要过滤最多 15 个频带上的 2G、 3G 和 4G 收发通路，此外还有 Wi-Fi、蓝牙和全球导航卫星系统 (GNSS)。这样一部手机可能需要最多 30 至 40 个滤波器。下一代智能手机可能需要更多滤波器，因此事情可能变得越发复杂。

滤波器移除信号中不需要的频率分量，同时保留需要的频率分量。按照接收或抑制信号的不同方式，滤波器基本分为四种（参见图 1-1）。这四种类型分别是：

✓ 低通滤波器： 允许低于一定频率的所有频率通过，同时抑制其他所有频率（相对于高通滤波器）

✓ 高通滤波器： 允许高于一定频率的所有频率通过，同时抑制其他所有频率（相对于低通滤波器）

✓ 带通滤波器： 允许位于两个频率之间的所有频率通过，同时抑制其他所有频率（相对于带阻滤波器）

✓ 带阻（带拒）滤波器： 抑制位于两个频率之间的全部频率，同时允许其他所有频率通过（相对于带通滤波器）。

带阻或带拒滤波器也被称为陷波滤波器。

                       图 1-1  滤波器基本类型

滤波器的构造根据应用的不同而不同，尺寸、成本和性能是主要的不确定因素。以下是部分滤波器构造：

✓ 分立式电感电容型 (LC) 滤波器， 属于低成本结构，性能和尺寸中等。电感电容元件有时被封装为衬底印制结构，称为“集成化无源器件”。

✓ 多层陶瓷滤波器， 属于中低成本滤波器，性能与电感电容型滤波器相似。其脚印通常合理，但厚度却成为问题，这是因为移动设备重视更加轻薄的封装尺寸。

✓ 单体式陶瓷滤波器， 性能高于多层陶瓷滤波器，但成本也较高。此外，这种滤波器体积更大，因此通常不适合移动应用。

✓ 声学滤波器， 能够同时满足高低频率要求（最高 6 GHz），体积小，为满足复杂的滤波器需求提供了最佳性能与最优成本。

声学滤波器是移动设备上最为常用的滤波器构造。

✓ 空腔滤波器， 仅限基础设施应用。这种滤波器可在合理成本下达到良好性能，但体积较大。

滤波器经过设计，可满足多种需求。尽管滤波器的基础电路配置相同，但在满足不同标准时，电路参数设计有所不同。带内纹波、向最终衰减的最快速转换以及最高带外抑制等，这些标准都可能导致电路参数的不同。

滤波器仅允许特定的频率或频带通过，因此是射频设计工程人员的基本工具之一。

图 1-2 所示为典型的滤波器频响，以及体声波和声表面波技术（在第 2 章介绍）相应的部分主要设计考虑因素。该图显示了滤波器频响中推导抑制度和插入损耗参数的位置。如图所示，通带带宽是滤波器让占据所需频带的信号通过的区域。抑制范围是相关频率范围减去通带的区域。

                     图 1-2  典型的滤波器频响

射频滤波器基础知识

以下是一些较为重要的滤波器术语和概念，

衰减： 一个信号通过射频滤波器后，产生的振幅损耗，通常用分贝(dB) 表示。

截止频点：通常认为是滤波器频响下降 3 dB 的点。

群时延：相对于频率的滤波器相位参数。群时延用时间（秒）来计量，可以认为是当振幅调制信号通过射频滤波器时，信号包络发生的传播时间延迟。

插入损耗：由于分量插入而产生的信号功率损失。

隔离： 为防止信号之间发生意外交互（例如，收发交互），将两个信号相互隔离。

质量因子： 质量因子是谐振电路选择度的一种计量标准，表示为每个往复周期存储能量与损耗能量的比值。

通带： 让信号相对无衰减通过的区域。

纹波： 插入损耗在通带区域的变化。

选择性： 滤波器通过或抑制特定频率（相对于滤波器的中心频率）能力的一种计量标准。通常，选择度表示为当信号通过滤波器时，在相对于滤波器中心频率的一些特定频差点发生的损耗。

阻带：滤波器达到规定的带外抑制频率所在的频带，表示为分贝。

质量因子与插入损耗的关系

滤波器的插入损耗取决于多个因子。其中包括中心频率对应的滤波器带宽、滤波器的阶梯级数以及构成滤波器的谐振器的质量因子 (Q)。

图 1-3 所示为谐振器的四个不同 Q 值对应的声学滤波器衰减特性。

这四个 Q 值分别是 3000、 1500、 1000 和 700。

       图 1-3   声学滤波器在不同谐振器质量因子下的衰减特性

图中显示了一些明显趋势：

✓ 随着质量因子的下降，损耗上升，谐振器的质量因子数值越小，损耗上升的越快。

✓ 随着质量因子数值的下降，通带边缘更加圆滑，通带带宽变窄。注意每个连续下降的谐振器质量因子要与之前的谐振器相匹配。

✓ 通带边缘的损耗增速大于频带中间的损耗。这造成严重的调制问题，因为某些调制的区域恰好是通带边缘。

由于这种效应， GSM (200 kHz) 和 CDMA (1.25 MHz) 等窄带调制遭受的灵敏度损耗最大，而 WCDMA (3.84 MHz) 的灵敏度损耗则较少。 LTE 结果取决于系统带宽，带宽越窄，影响越大。一直以来，通带边缘的锐角化需求推动了体声波等高质量因子结构的需求

发展。

GSM 是 2G 标准的蜂窝数据网络。 CDMA 与 WCDMA 是 2G/3G标准的蜂窝数据网络。

除非使用TAISAW(TST:嘉硕科技)的低温漂或零温漂滤波器等温度补偿技术，否则温度变化产生的温漂（本章后文介绍）将加剧调制信号靠近通带边缘的问题。

为降低插入损耗而加宽低质量因子滤波器的频响曲线，这种做法虽然不错，但却会降低对附近干涉的选择度。对于许多严格的滤波器应用而言，选择度的下降是不可接受的。

温度对滤波器频响的影响

随着频谱越来越拥挤，温漂已成为越发重要的问题。为尽量减少插入损耗和确保对相邻频带的抑制，需要提供高选择度。

滤波器的两个关键性能参数分别是：通带区域需要信号的低损耗；以及阻带区域不需要干涉信号的充分衰减。大量的环境和生产变量都需满足这两个参数。传统解决方案是在了解工艺变化基础上，在设计中为每个参数加入余量。

对于部分高要求的滤波应用，滤波器的温漂范围可以是通带与阻带之间过渡频带的宽度。这使得通过设计满足滤波需求极为困难，甚至不可能。该问题的解决办法是在设计滤波器时，采用可以极大减少温度变化的先进生产工艺。

双工的作用

双工可在一条信道上实现双向通信。双工运行有两种基本模式：

✓ 半双工： 通信双方轮流收发。当一方发射时，另一方接收。

✓ 全双工： 通信双方同时收发。全双工通过频分双工 (FDD)或时分双工 (TDD) 实现。

频分双工

频分双工使用两个单独的频带或信道实现全双工通信。两个频带在物理上相互分离（称为“双工间隔”），以防止发生干涉。

频分双工的主要优势和劣势：

✓ 优势： 时延极低，频带或信道的全部容量都能利用。

✓ 劣势： 在需要的收发频带范围内，需要频率对称。另外，频分双工需要的频谱也要大于时分双工。

时分双工

时分双工在半双工链路上模拟全双工通信，使用单频带进行收发。

时分双工为通信设备的收发操作分配急速交替的时隙。尽管时分双工是并发传输，而非同时传输，但由于时分双工的高速度，通信双方感觉不到通信的断续。

时分双工的主要优势和劣势：

✓ 优势： 时分双工单频运行，收发时隙不需对称。

✓ 劣势： 与频分双工相比，收发操作的切换造成一些时延。另外，为确保时隙不发生干涉或重叠，还需要精确计时和同步。

在有些应用中，可以动态分配非对称时隙，以根据收发要求的变化自动调整。

今天，频分双工在 4G LTE 网络中应用更为广泛。然而，随着本已有限的频谱变得更加拥挤，时分双工由于使用单频带，因此可能在将来被采用。

第 2 章   声学滤波器

本章介绍声表面波(SAW)和体声波滤波器(BAW)。

声表面波(SAW)：虽然成熟，但仍在发展的技术

声表面波滤波器广泛用于 2G 和 3G 接收器前端、双工器以及接收滤波器。声表面波滤波器综合了低插入损耗与良好抑制性能，可以达到大带宽，并且与传统空腔滤波器和陶瓷滤波器（在第 1 章有介绍）相比，其体积只有前者的零头。

由于声表面波滤波器在晶圆上组装，因此可以低成本大批量生产。

另外，声表面波技术还可将不同频带的滤波器和双工器集成到一块芯片，并且因此增加的装配工序很少，甚至完全不需要。

在声学滤波器中，具有一定对称性的晶体的压电效应成为“马达”和“发电机”。当对晶体施加一个电压时，晶体将发生机械形变，将电能转化成机械能。当晶体受到机械压缩或拉伸时，情况正好相反。晶体结构的反面形成电荷，使电流流入端子和/或在端子间形成电压。这种电能与机械能之间的转换只会造成极低的能量损耗，双向都可达到极高效率。

在固体材料中，交替的机械形变产生声波，其传播速度在 3,000 至12,000 米/秒。在声学滤波器中，声波受限形成驻波，质量因子极高，可以达到数千。这些高质量因子的谐振成为声学滤波器频率选择和降低损耗的基础。

在基本的声表面波滤波器中（参见图 2-1）中，在石英、钽酸锂(LiTaO3) 或铌酸锂 (LiNbO3) 等构成的压电衬底上，通过金属叉指换能器将电输入信号转化成声波。由于这种声波的速度较慢，因此能使许多的波长通过超小尺寸器件的内部数字能量转换器。

                         图 2-1  基本的声表面波滤波器

声表面波的一个主要优势是能够极好地满足最高 1.9 GHz 标准滤波器应用，包括 GSM、CDMA 和 3G 等标准频带，以及部分 4G 频带。

另外，目前采用晶圆级封装等技术（在第 3 章介绍）缩小声表面波滤波器的体积，这使得多个频带的滤波器和双工器都可集成到一块芯片。随着智能手机功能的不断丰富，这一点也越发重要。

不过，声表面波滤波器也有局限性。在频率高于大约 1 GHz 时，这种滤波器的选择度下降；在频率达到大约 2.5 GHz 时，声表面波仅限于中等性能需求的应用。

     另外，声表面波对温度非常敏感。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。当温度上升时，声表面波滤波器的频响最大可能下降 4 MHz。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。

替代方案之一是使用 Qorvo 的低温漂和零温漂声表面波滤波器，包括为数字能量转换器结构增加涂层，以加强高温硬度。无补偿的声表面波滤波器的频率温度系数通常约为 -45 ppm/℃，而低温漂声表面波滤波器可将这一数值降至 -15 至 -25 ppm/℃。对于最为严格的应用，零温漂声表面波滤波器可将这一数值基本降至 0 ppm/℃。不过，由于所需的掩膜层增加了一倍，因此低温漂和零温漂声表面波滤波器更为复杂，也因此生产成本更加高昂——但仍不及体声波滤波器。

体声波（BAW）：高性能

虽然声表面波滤波器以及TAISAW(TST:嘉硕科技)的低温漂和零温漂声表面波滤波器能够很好的适用于最高约 1.5 GHz 的应用，但通常体声波滤波器能够在更高频率等级，以更低的插入损耗，提供出众的性能（更高质量因子）。

通过使用体声波技术，能够开发边缘斜率极高和抑制能力优秀的窄带滤波器。这使得体声波成为解决许多干涉难题的首选技术。体声波这些优势的工作频率约 1.5 GHz，使其与声表面波技术的互补（后者在较低频率下更为有效）。体声波可以处理的频率高达 6 GHz，在频率高于 1.9 GHz 的新型 LTE 频带中多有使用。另外，对于 LTE/Wi-Fi共存滤波器，体声波也非常有效。

再者，体声波滤波器的尺寸随着频率的升高而降低，这使得体声波滤波器成为适用于最严格的 3G 和 4G 应用的理想滤波器。此外，即使在宽带宽，体声波的设计对温度变化的敏感性也低得多。

不同于声表面波滤波器，体声波滤波器的声波纵向传播（参见图2-2）。在采用石英晶体作为衬底的体声波谐振器中，石英上下表面的金属片激励形成声波，声波从顶面跳跃至底面，形成驻波。谐振频率取决于板材厚度和电极质量。在体声波滤波器发挥作用的高频率，压电层必须只有几微米厚，谐振器结构需要采用薄膜沉积和微加工技术，在载波衬底上完成。

                 图 2-2  基本的体声波滤波器

为防止声波逃逸进入衬底，将不同硬度和密度的薄层交替叠加，形成布拉格声学反射腔。最终形成的谐振器被称为“固体装配型体声波谐振器”(BAW-SMR)。

布拉格反射板是一种由不同折射率的材料交替叠加构成的多层结构。

另外，还有一种替代方法被称为“薄膜体声波谐振器”(FBAR)，这种方法在有效区域下方蚀刻出一个空腔，形成悬挂膜结构。图 2-3 是固体装配型体声波谐振器与薄膜体声波的设计对比。

                               图 2-3   体声波滤波器技术

这两种类型的体声波滤波器都能达到非常低的损耗，这是因为二者的声能密度都非常高，并且二者的结构都能有效地捕获声波。二者可以达到的质量因子高于微波频率下使用的合理尺寸的其他滤波器类型：在 2 GHz 时高达 2,500。这带来了超高的抑制能力，减少

了插入损耗，甚至在临界的通带边缘也不例外。

薄膜体声波谐振器与固体装配型体声波谐振器的基本差别在于声能的捕获方式。对于薄膜体声波谐振器，谐振器双面都存在空气/晶体界面，这确保了主要声能模态被正确捕获。对于固体装配型体声波谐振器，位于谐振器下方的布拉格反射板可以有效地捕获声

能模态。

二者之间的另一个主要区别在于设备产生热量的导热通路。在固体装配型体声波谐振器，有一条导热通路通向衬底，并通过衬底散热。在薄膜体声波谐振器，由于谐振器每面都有气隙，因此导热通路较弱。

由于体声波滤波器带来较低的插入损耗，因此有助于补偿单台智能手机支持多频带带来的较高损耗。损耗的降低不仅改善了信号的接收性能，而且有助延长电池寿命。对于上行和下行链路隔离极小的应用，以及相邻频带高度拥挤但又需要衰减的情况，体声波表现优秀。

尽管体声波本身的温漂只有标准声表面波的大约一半，但有时这种优势并不充分。针对这些应用， TAISAW(TST：嘉硕科技)创立了零温漂体声波技术，可以实现温漂基本达到 0 ppm/℃，与零温漂声表面波达到的性能相似。

TAISAW(TST:嘉硕科技)主要产品为表面声波 (SAW) 组件 (主要包含射频表面声波滤波器、中频表面声波滤波器及表面声波共振器等)、体波 (BAW) 石英组件 (主要包含石英振荡晶体、石英滤波器、石英振荡器、压控石英振荡器、石英压控/温度补偿振荡器等) 及其相关模块，应用领域涵盖卫星数字广播、移动电话及基地台、无线局域网络、卫星定位、无线蓝芽、车用遥控器、胎压传感器等3C商品。

 拓蒂电子作为TAISAW(TST:嘉硕科技)全线产品的一级代理商，负责TAISAW(TST:嘉硕科技)如下产品的市场推广和相关技术支持，欢迎广大客户朋友随时来电垂询。

TAISAW(TST:嘉硕科技)主要产品系列介绍如下：

RF SAW滤波器(RF SAW Filters)
IF SAW滤波器(IF SAW Filters)
SAW谐振器 (SAW Resonators)
SAW双工器 (SAW Duplexer)
SAW振荡器 (SAW Oscillators)
压控振荡器(VCSO)
晶体谐振器(Crystal Resonators)
晶体滤波器(Crystal filters)
晶体振荡器(Crystal Oscillators)
压控振荡器(VCO)
压控温补晶振(VCTCXO)
恒温晶振(OCXO)
高品质滤波器(HiQ SAW)

高品质晶体(HiQ Xtal)

温度传感晶体(Temperature Sensing Crystal)