發布日期：2022-10-18 點擊率：125
射頻濾波器是射頻前端芯片市場份額最大的細分領域。RF濾波器包括了SAW（聲表面濾波器）、BAW（體聲波濾波器）、陶瓷濾波器（LTCC濾波器）、IPD（Integrated Passive Devices）等。全面屏及手機輕薄化，頻率資源擁擠化，高性能的濾波器愈發重要。
AW、BAW濾波器是目前手機應用的主流濾波器。衡量濾波器性能的指標有兩個：Q值和插入損耗。Q值越高，表明濾波器可以實現更好的濾波功能。插入損耗是指通帶信號經過濾波器之后的信號功率衰減，當插入損耗達到1dB，則信號功率衰減達到20%。從這兩大指標來看，SAW和BAW濾波器憑借優良的頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等特性，已成為射頻濾波器的主流選擇。
移動無線數據和4G LTE網絡的快速增長導致了對新頻段以及通過載波聚合來組合頻段的需求不斷增長。3G網絡只使用了大約五個頻段，LTE網絡使用的頻段有40多個，隨著5G的到來，頻段的使用數量將會進一步增加。互聯設備必須要跨多個頻段來發送蜂窩信號、Wi-Fi信號、藍牙信號和GPS信號，同時還要避免干擾，這就需要濾波器發揮其作用。
目前國外廠商在SAW濾波器領域的技術已較為成熟，并構建了專利壁壘，形成Murata、Qualcomm、TAIYOYUDEN等數家國際廠商的供給壟斷格局。國內SAW濾波器廠商的研發與產品市場應用時間相對較短，技術與產品性能同大型國際廠商之間仍存在差距，急需加強技術研發投入突破技術壁壘，逐步提升行業的國產化程度。
根據Yole數據，BAW濾波器主要以美國的Qorvo、Broadcom為主，2018年壟斷了全球95%以上的市場份額。國內BAW濾波器尚處于起步階段，僅有少數公司和科研機構有BAW樣品提供。
根據《射頻濾波器介紹》，SAW和TC-SAW濾波器適用于2.5GHz以下的低頻段。在2.5GHz以上的中高頻段，BAW濾波器為首選。但是在更高頻的SUB-6G頻段及毫米波頻段，SAW、BAW濾波器已經不能滿足需求，需要使用到IPD、LTCC等濾波器。因此在未來5G通信時期，對BAW、IPD、LTCC等中高頻濾波器的需求量將持續增加。
SAW濾波器是聲表面波（Surface Acoustic Wave）濾波器的簡稱，其本質是采用石英晶體、壓電陶瓷等壓電材料，利用其壓電效應和聲表面波傳播的物理特性而制成的一種濾波專用器件，廣泛應用于電視機及錄像機中頻電路中以取代LC中頻濾波器，使圖像、聲音的質量大大提高。一個基本的SAW濾波器由壓電材料(piezoelectric substrate)和兩個Interdigital Transducers(IDT)組成。
IDT是由交叉排列的金屬電極組成，一側的IDT把電信號轉成聲波，另一側的IDT把接收到的聲波再轉成電信號。IDT之所以能夠將電信號轉成聲波，其原因在于IDT下方的壓電材料。壓電是指某些晶體受到外部壓力時會產生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會輕微變形。SAW濾波器常用的壓電材料有鈮酸鋰（LiTaO3），鈮酸鋰（LiNbO3），SiO2等。
SAW濾波器的主要特點是：設計靈活性大、模擬/數字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇性優良、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能好、可靠性高、制作的器件體積小、重量輕且能實現多種復雜的功能。
SAW濾波器的特征和優點，正適應了現代通信系統設備及便攜式電話輕薄短小化和高頻化、數字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之處是：熱穩定性較差，高頻特性有待改善。
根據化合物半導體技術介紹，BAW濾波器最基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度為2um)，聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波。
BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側的金屬對聲波實施激勵，使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波在大于2.5GHZ的頻段，BAW壓電層的厚度必須在幾微米量級，因此，要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術實現諧振器結構。
為了把電磁波的能量局限在濾波器體內，可以使用BAW-SMR技術或FBAR。BAW-SMR技術通過堆疊不同材質的薄層形成一個DBR的反射器，而FBAR技術則在有源區下方蝕刻出空腔以實現懸浮膜。BAW濾波器在高頻段可實現低插入損耗和高Q值，成為高性能射頻系統的首選。
為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結構和外部環境之間必須有足夠的隔離才能得到最小損失和最大Q值。聲波在固體里傳播速度為~5000m/s，即固體的聲波阻抗大約為空氣的105倍，所以99.995%的聲波能量會在固體和空氣邊界處反射回來，跟原來的波一起形成駐波。而震蕩結構的另一面，壓電材料的聲波阻抗和其他襯底的差別不大，所以不能把壓電層直接沉積在襯底上。方法二：
其一，在震蕩結構下方形成Bragg reflector，把聲波反射到壓電層里面。反射板由數層高低交替阻抗層組成，且每層的厚度是聲波的λ/4，這樣大部分波會反射回來和原來的波疊加。整體效果相當于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來，這種結構稱為BAW-SMR。
其二，可采用FBAR技術。當前主流的FBAR結構主要有三種：空氣隙型、硅反面刻蝕型和固態裝配型。
壓電材料方面，石英作為常見的壓電材料，在高電壓和高壓力的情況下表現出線性反應，但還沒有合適的方法把石英做成薄膜沉積硅襯底上。合適的BAW壓電材料需要高機電耦合系數，低機電損耗，高熱穩定性，還要符合IC工藝技術。目前最常用的BAW壓電材料有AlN（氮化鋁），PZT(鋯鈦酸鉛)，ZnO(氧化鋅)等。
雖然SAW和TC-SAW濾波器非常適合約1.5GHz以內的應用，但高于1.5GHz時，BAW濾波器性能優勢開始凸顯。BAW濾波器的尺寸隨頻率升高而縮小，適合要求非常苛刻的3G和4G應用。此外，即便在高寬帶設計中，BAW對溫度變化并不敏感，同時還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊。看完這篇文章，對SAW和BAW濾波器的了解是否更深一點了呢？
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