關(guān)于BAW與SAW RF濾波器

射頻（RF）濾波器是所有RF/微波系統的基礎元件，特別是具備多個(gè)信道或頻段的無(wú)線(xiàn)通信系統。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。

射頻（RF）濾波器是所有RF/微波系統的基礎元件，特別是具備多個(gè)信道或頻段的無(wú)線(xiàn)通信系統。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(chēng)為干擾）會(huì )導致系統功能下降甚至損壞。在無(wú)線(xiàn)通信系統中，接收器輸入端使用各類(lèi)RF濾波器來(lái)衰減所需頻段之外的信號。RF濾波器還用于減少來(lái)自發(fā)射器電路的諧波、雜散內容和帶外泄漏。在智能手機等現代電子產(chǎn)品的許多應用場(chǎng)景下，這些設備均配備數種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)；如果不使用RF濾波器進(jìn)行適當隔離，這些技術(shù)間可能會(huì )產(chǎn)生相互干擾——即所謂的共存設計挑戰（圖1）。

圖1：5G智能手機示例圖

由于大多數現代通信技術(shù)的緊湊設計限制了物理隔離，工程人員采用RF濾波器來(lái)增強所需的隔離效果，并確保這些產(chǎn)品符合必要的標準。這些標準可以是國家和國際監管機構制定的規范，例如美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC）和全球電子通信委員會(huì )（ECC），以及Wi-Fi、4G/5G、藍牙?和Zigbee等無(wú)線(xiàn)標準。許多現代電子產(chǎn)品還部署了要求額外濾波的特定功能，如全球定位系統（GPS）和其它地理定位技術(shù)，以及近場(chǎng)通信（NFC）技術(shù)。

考慮到現代無(wú)線(xiàn)通信系統尺寸極其緊湊的特點(diǎn)，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（品質(zhì)因數），并可以很容易地集成至濾波器組，來(lái)用于多頻段濾波應用。在許多情況下，每個(gè)頻段都需要不同的RF濾波器，以盡量減少串擾并減輕非線(xiàn)性。為滿(mǎn)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成，可以將電能轉化為聲能/機械能，反之亦然?；谶@種方式，AWF將高頻信號轉換為聲波信號，然后通過(guò)聲學(xué)諧振器和濾波技術(shù)進(jìn)行調節，最終轉換回高頻信號。與其它電磁濾波器技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于聲波現象比電磁濾波現象大約小五個(gè)數量級。實(shí)際上，這些因素導致聲學(xué)濾波器在類(lèi)似的性能下可以比傳統電磁濾波器小一個(gè)數量級。

AWF包含兩種主要類(lèi)型——體聲波（BAW）和表面聲波（SAW）濾波器——其使用叉指式換能器轉換電和聲學(xué)信號。BAW濾波器引導信號能量通過(guò)基板的主體，而SAW濾波器引導信號能量沿基板表面傳遞。雖然這種區別起初看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但現實(shí)中，不同的方法會(huì )導致性能和頻率能力的顯著(zhù)差異。

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

然而，由于表面電聲轉導的物理限制，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計成比SAW技術(shù)更高的頻率操作和更高的Q因數。此外，BAW濾波器可以利用與標準IC加工系統兼容的技術(shù)制造，并且通常表現出更高的功率處理能力。盡管有些SAW濾波器技術(shù)結合了溫度補償設計功能，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(lái)說(shuō)，SAW濾波器可以在實(shí)際中制造用于2000MHz或2500MHz的頻率；相比之下，BAW濾波器可達到10GHz甚至更高。因此，SAW和BAW技術(shù)在100MHz和大約2500MHz的頻率范圍內存在直接競爭。

在為特定應用選擇濾波器時(shí)，必須了解濾波器應用的要求并解讀濾波器的電氣規格。每個(gè)濾波器應用都會(huì )對中心頻率、帶寬、所需信號電平和抑制要求等提出需求。系統工程師通常會(huì )列出這些系統要求；工程人員在選擇濾波器時(shí)，要確保濾波器在保持預算的前提下滿(mǎn)足這些要求，并制定一個(gè)將濾波器納入系統設計中的計劃。對于現代無(wú)線(xiàn)設備，通常涉及到設計由許多濾波器組成的濾波器組，以滿(mǎn)足嚴格的要求和符合無(wú)線(xiàn)與監管機構的標準。

以下為RF濾波器設計的關(guān)鍵電氣規格：

●  濾波器類(lèi)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

●  紋波（dB）

●  輸入功率處理（dB）

●  輸入和輸出阻抗匹配（歐姆）

大多數無(wú)線(xiàn)通信標準強調帶通濾波器與其它幾個(gè)帶通濾波器串聯(lián)使用，以實(shí)現多頻段濾波。這已成為SAW和BAW濾波器一個(gè)應用廣泛的典型場(chǎng)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容。這是一個(gè)重要的功能，因為帶外頻率內容會(huì )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)射器設備產(chǎn)生的非線(xiàn)性結果，如諧波和尖峰。濾波器的這一輔助應用增強了鄰道泄漏比（ACLR）和鄰道功率比（ACPR）。此外，通過(guò)此種濾波器使用方式，原本無(wú)法通過(guò)無(wú)線(xiàn)標準測試的無(wú)線(xiàn)發(fā)射器可能會(huì )通過(guò)測試，而無(wú)需大量的重新設計工作。

還有一些情況是，一部已被設計和部署的無(wú)線(xiàn)通信系統在早期評估中并未被發(fā)現實(shí)地運行時(shí)會(huì )面臨的挑戰。在這種情況下，如果能夠通過(guò)更嚴格的濾波來(lái)解決，則可以利用增強的濾波器來(lái)升級無(wú)線(xiàn)電，以緩解這些問(wèn)題。例如，如果無(wú)線(xiàn)電在關(guān)鍵工作頻段附近遇到干擾，那么具備更高Q因數和更佳的帶外抑制能力的濾波器將帶來(lái)比現有濾波器更好的操作。

一般來(lái)說(shuō)，SAW濾波器比BAW濾波器便宜，而且市場(chǎng)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(guò)250MHz的工作頻率。然而，如果設計中需要最強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。

圖2：BAW與SAW多路復用器濾波器的比較

SAW和BAW濾波器必須精確設計以實(shí)現所需的操作。針對某個(gè)特定應用，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計并量產(chǎn)滿(mǎn)足Wi-Fi和4G LTE/5G等各類(lèi)市場(chǎng)和應用需要的專(zhuān)用SAW和BAW濾波器。特定的BAW和SAW濾波器也是為了應對無(wú)線(xiàn)標準共存的突出挑戰，如Wi-Fi和低功耗藍牙?（LE）。

一個(gè)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(zhuān)為附近可能存在Wi-Fi 6E無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )潛在干擾場(chǎng)景下的宏基站與小型基站而設計。另一個(gè)例子是Qorvo QPQ1063 GPS SAW雙工器，設計用于L1/L2 GPS頻段。

圖3：Qorvo QPQ4900 n79子頻段BAW濾波器

RF濾波器是現代無(wú)線(xiàn)通信系統中的關(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(huì )導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因數而成為備受歡迎的選擇。SAW濾波器的設計和制造并不非常復雜，而B(niǎo)AW濾波器帶來(lái)更高的頻率操作和更強的Q因數性能。工程師們必須考慮其濾波應用的要求和濾波器的電氣規格——如濾波器類(lèi)型、通帶、阻帶，和插入損耗——來(lái)為他們的系統設計選擇合適的濾波器。

作者：JJ DeLisle

來(lái)源：Qorvo