濾波器在各種領(lǐng)域應(yīng)用及行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展分析[圖]

    濾波器一直是射頻信號(hào)處理的重要部件，并且隨著通信時(shí)代的更迭用量在不斷增加。3G網(wǎng)絡(luò)的通信頻段有5個(gè)，而根據(jù)3GPP的更新，4GLTE已經(jīng)增加到了52個(gè)波段，5G的標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有最終確定，但是5G的加入會(huì)讓已經(jīng)很密集的頻譜更加擁擠。雖然對(duì)于單個(gè)手機(jī)來(lái)說(shuō)要做到支持全球所有頻段很不實(shí)際，但是想要做到國(guó)際通用的功能豐富的機(jī)型，就需要在2G、3G和4G的發(fā)射和接收路徑上做到多達(dá)15個(gè)頻段的支持，同時(shí)也要支持WiFi、藍(lán)牙和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。像這樣的4GLTE手機(jī)就需要30到40個(gè)濾波器。在5G時(shí)代，這個(gè)數(shù)字將會(huì)增加到60個(gè)以上。

    濾波器的作用是通過(guò)特定頻率的信號(hào)，讓其他頻率的信號(hào)受阻。按照可以通過(guò)信號(hào)的類(lèi)型可以分為四種類(lèi)型：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器。帶阻濾波器也叫做陷阻濾波器。

濾波器按通頻分類(lèi)

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

濾波器按材料分類(lèi)

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    總的來(lái)看，設(shè)計(jì)者對(duì)濾波器追求的特性是低插入損耗，快速過(guò)渡到最終滾將，以及高帶外抑制。濾波器的插入損耗受制于多個(gè)因素，如濾波器帶寬和中心頻率，階數(shù)以及構(gòu)成器件的品質(zhì)因子。

濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    一、4GLTE中的濾波器

SAW濾波器基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    SAW濾波器被廣泛應(yīng)用在2G和3G接收機(jī)前端、雙工器以及接收機(jī)濾波器。SAW濾波器具有低插入損耗、高抑制和寬帶的特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)腔體濾波器和陶瓷濾波器尺寸也非常小。由于SAW濾波器采用晶圓制作的方式，還具有量產(chǎn)低成本的優(yōu)勢(shì)。不同頻帶的濾波器和雙工器可以通過(guò)SAW技術(shù)直接集成在單個(gè)芯片上。

    此處不得不提的是壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)存在于具有一定對(duì)稱(chēng)性的晶體中。壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)）。電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換可以說(shuō)是十分高效的，能量損失非常微小。

    在固態(tài)材料中，交替的機(jī)械變形可以產(chǎn)生速度為3000到12000米每秒速度傳播的聲波。在聲波濾波器中，如果品質(zhì)因子Q值可以高達(dá)幾千，則可以形成駐波。這些高Q諧振是聲學(xué)濾波器實(shí)現(xiàn)的頻率選擇性和低損耗的基礎(chǔ)。在SAW濾波器上，電信號(hào)輸入，通過(guò)交錯(cuò)金屬叉指換能器（IDTs）在壓電材料襯底上轉(zhuǎn)換為聲波。常見(jiàn)的壓電材料基材有石英，鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）。

    SAW濾波器可以覆蓋高達(dá)1.9GHz的頻率應(yīng)用，適用于GSMCDMA2G和部分4G頻帶。除此之外，WLP封裝也已用來(lái)封裝SAW，使得它的體積小巧，可以同時(shí)與雙工器或者多帶形式集成。但是SAW濾波器在高頻應(yīng)用下的劣勢(shì)是很明顯的，1GHz以上其選擇性下降明顯，超過(guò)2.5GHz時(shí)，SAW只能滿(mǎn)足一般性應(yīng)用需求而難以滿(mǎn)足高性能要求。同時(shí)，它的工作狀態(tài)對(duì)溫度敏感，基材的剛性在高溫時(shí)會(huì)下降從而導(dǎo)致聲速減弱。溫度上升時(shí)SAW濾波器的頻率響應(yīng)可能會(huì)下降4MHz之低。隨著保護(hù)帶（guardband）變窄、在消費(fèi)設(shè)備應(yīng)用的寬溫度范圍要求（通常，-20°C至85°C）下，這種限制變得更加顯著。

    二、BAW體聲波濾波器

    BulkAcousticWave(BAW)濾波器也叫做體聲波濾波器，不同于SAW濾波器，BAW濾波器的聲波傳播方向是垂直的。BAW諧振器通過(guò)石英晶體作為襯底，在上層和下層覆蓋金屬貼片來(lái)激發(fā)聲波，從頂部表面反彈到底部表面形成駐波聲波。諧振頻率是由襯底板厚度和電極質(zhì)量決定的。高頻的BAW濾波器中壓電層必須做的很薄，幾微米的厚度，這要求諧振結(jié)構(gòu)必須使用載體基板上的薄膜沉積和微加工。

    BAW濾波器具有低插入損耗，因此有助于彌補(bǔ)與單個(gè)智能手機(jī)中支持多頻段帶來(lái)的高損耗。除了改善信號(hào)接收外，更低的損耗也有助于延長(zhǎng)電池壽命。BAW在上行鏈路和下行鏈路分離最小的應(yīng)用以及緊密壓縮的相鄰頻帶中需要衰減的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。

BAW濾波器基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    為了防止能量從襯底處損失，可以通過(guò)交替堆疊不同剛性和密度的薄層來(lái)形成聲學(xué)布拉克反射器。這種方法就稱(chēng)為固定安裝的諧振器BAW。布拉格反射器是由具有不同折射率的多層交替材料形成的結(jié)構(gòu)。另一種稱(chēng)為薄膜體聲諧振器（FBAR）的方法是在有源區(qū)域下方蝕刻空腔，從而形成懸浮膜。

    FBAR濾波器是filmbulkacousticresonator濾波器的簡(jiǎn)稱(chēng)，不同于以前的濾波器，F(xiàn)BAR是使用硅底板、借助MEMES技術(shù)以及薄膜技術(shù)而制造出來(lái)的，現(xiàn)階段的FBAR濾波器已經(jīng)具備了略高于普通SAW濾波器的特性。

    兩種類(lèi)型的BAW濾波器都可以實(shí)現(xiàn)非常低的損耗，因?yàn)樗鼈兊穆暷苊芏确浅８卟⑶铱梢苑浅：玫夭东@聲波。它們可實(shí)現(xiàn)的Q值在2GHz時(shí)仍然可以高達(dá)2500，高于在其他類(lèi)型的微波濾波器。即使在要求苛刻的通帶邊緣，帶外抑制和插入損耗性能方面依然表現(xiàn)優(yōu)秀。

BAW濾波器橫截面示意圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    FBAR和BAW-SMR之間的根本區(qū)別在于如何捕獲聲能。對(duì)于FBAR，諧振器的兩個(gè)空氣/晶體界面確保適當(dāng)?shù)穆暡ú东@。在BAW-SMR中，諧振器下方的布拉格反射器可以有效地捕獲聲波。二者之間另一個(gè)主要區(qū)別是器件產(chǎn)生的熱量的熱路徑。在BAW-SMR中，熱量具有進(jìn)入基板的傳導(dǎo)路徑，從該傳導(dǎo)路徑可以傳播。在FBAR中，因?yàn)橹C振器的每一側(cè)都存在氣腔，所以熱傳導(dǎo)能力較弱。

    與SAW器件相比，它們的性能隨溫度變化較小。反射器中使用的SiO2將BAW的整體溫度漂移降低，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)SAW或FBAR濾波器所能達(dá)到的溫度漂移。BAW器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度，使緊湊型器件能夠處理高達(dá)10W的功率，為小型蜂窩基站應(yīng)用提供充足的功率處理能力。

    三、5G濾波器

5G相比于4G對(duì)手機(jī)中收發(fā)機(jī)架構(gòu)的影響

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    如今的4GLTE制式下的智能手機(jī)可以支持超過(guò)30個(gè)頻段，需要60個(gè)以上濾波器，其中大部分采用復(fù)用器的形式存在。數(shù)量如此之多的濾波器不近占據(jù)大量空間，還擁有高昂的成本，器件制造商既要滿(mǎn)足性能，也要維持低成本要求，可以說(shuō)已經(jīng)是很大挑戰(zhàn)。4G制式中的濾波器器件大部分是基于SAW和BAW結(jié)構(gòu)。在低頻時(shí)，SAW濾波器可以滿(mǎn)足低插入損耗和帶外抑制要求，覆蓋寬帶、且體積小巧。但是在5G制式下的sub-6GHz和毫米波波段，SAW濾波器很難滿(mǎn)足其需求。SAW濾波器在2GHz以下性能優(yōu)勢(shì)明顯，但是在高頻應(yīng)用中，只能滿(mǎn)足例如GSM、CDMA、3G無(wú)線(xiàn)接收前端等要求并不苛刻的應(yīng)用中。我們也在前面提到，SAW濾波器對(duì)溫度也很敏感。通常SAW濾波器在手機(jī)中的工作頻率為600MHz到2GHz，BAW濾波器工作在1.5GHz到6GHz，因此二者的應(yīng)用都被限制在6GHz以下。

    濾波器面臨的挑戰(zhàn)是，可以在不同頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。采用非載波聚合技術(shù)的情況下，即使通信頻段可以高達(dá)30個(gè)頻段，也是只有一個(gè)濾波器進(jìn)行工作，其他的濾波器處于關(guān)斷狀態(tài)。但是在載波聚合的情況下，以2個(gè)CC為例，就可能有四種復(fù)雜的情況進(jìn)行頻率組合。CC數(shù)量越多，情況越是復(fù)雜，濾波器需要配合其他頻段的CC濾波器進(jìn)行工作，可以采用的形式除了雙工器之外，還有三工器，四工器，甚至更復(fù)雜的形式結(jié)構(gòu)。

    目前手機(jī)中所采用的零中頻或者直接下變頻收發(fā)機(jī)依賴(lài)于CMOS技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)采用的器件數(shù)量少、線(xiàn)性度高，適用于復(fù)雜調(diào)制結(jié)構(gòu)。對(duì)于其中的濾波器來(lái)說(shuō)，性能要求很高，但是每個(gè)通信頻段只需要兩個(gè)濾波器或者一個(gè)雙工器。對(duì)于早期的3G手機(jī)，只有3或4個(gè)頻段，濾波器可以滿(mǎn)足其要求。但是4G的同頻頻段有30個(gè)以上，濾波器的數(shù)量和成本都大幅度增加。而且對(duì)于毫米波來(lái)說(shuō)，直接下變頻和直接處理高頻信號(hào)都是很大的挑戰(zhàn)。因此毫米波中更多的采用的是傳統(tǒng)超外差射頻架構(gòu)。

直接變頻或零中頻接收機(jī)框圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    四、Sub-6GHz濾波器

    對(duì)于5G中的3.5-6.0GHz新頻段，頻率與當(dāng)前的4G高頻段接近，因此更有可能采用直接下變頻的無(wú)線(xiàn)電解決方案。但較高的頻率依然會(huì)給高頻段無(wú)線(xiàn)器件性能帶來(lái)壓力，但是基本的直接下變頻架構(gòu)將保持不變。從濾波器的角度來(lái)看，更高的頻率會(huì)給表面聲波（SAW）濾波器的帶來(lái)不小阻礙，其高頻劣勢(shì)在2.5GHz頻帶上已經(jīng)體現(xiàn)了出來(lái)。因此3.5-6.0GHz更有可能采用BAW和溫度補(bǔ)償BAW（TC-BAW）濾波器。不過(guò)高頻率的影響也會(huì)對(duì)BAW濾波器起作用，因?yàn)槁晫W(xué)損失隨頻率的平方在急劇增加。

BAW濾波器中電學(xué)和聲學(xué)損耗受頻率變化的影響

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    五、毫米波濾波器

    在毫米波頻率下，聲學(xué)濾波器不再適用，這是由于毫米波頻率下聲學(xué)損失增加，并且縮放尺寸不切實(shí)際。其波長(zhǎng)開(kāi)始變得足夠小，因此毫米波的濾波器技術(shù)是基于EM技術(shù)的。

波導(dǎo)濾波器3D建模及幅度響應(yīng)

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    現(xiàn)有用于20GHz和80GHz之間的高性能濾波器通常分為兩種結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)濾波器和腔體濾波器。對(duì)于大多數(shù)毫米波無(wú)線(xiàn)電，這些濾波器具有以厘米為單位的尺寸，但是毫米波需要毫米級(jí)尺寸?，F(xiàn)在市場(chǎng)上正在向小型化毫米波濾器過(guò)度。波導(dǎo)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以與現(xiàn)有CMOS技術(shù)兼容。但是基板的性能會(huì)影響濾波器性能，所以關(guān)鍵在與基板材料的優(yōu)化。腔體濾波器通常比平面波導(dǎo)濾波器在設(shè)計(jì)上難度更大。但是腔體濾波器在優(yōu)化濾波器性能和功率處理方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。與平面波導(dǎo)一樣，設(shè)計(jì)者一直在努力使腔體濾波器小型化，但是它在成本方面可能優(yōu)勢(shì)不大。平面波導(dǎo)和腔體濾波器都難以實(shí)現(xiàn)小尺寸，這是由于被濾波掉的EM波的波長(zhǎng)尺寸較大，因此濾波器尺寸要求也很大，所以這些毫米波濾波器尺寸可能比低頻帶聲波濾波器大。然而，由于之前提到的無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)挑戰(zhàn)，無(wú)線(xiàn)電所需的濾波器數(shù)量可能要少得多。

    六、濾波器市場(chǎng)

    4GLTE智能手機(jī)中濾波器的急劇增加，同時(shí)SAW和BAW濾波器制造商提出了挑戰(zhàn)。主要的濾波器供應(yīng)商大幅提高了其制造能力，甚至增加幾倍才能滿(mǎn)足需求。有些供應(yīng)商的前端模塊的生產(chǎn)甚至受到濾器供應(yīng)限制。

    SAW的主要供應(yīng)廠(chǎng)商包括Murata，Skyworks（來(lái)自Panasonic），RF360Holdings（高通/TDK-EPCOS合資企業(yè)），Qorvo和TaiyoYuden，以及全球其他幾家小型SAW制造商，其中一些提供代工服務(wù)。這為大多數(shù)模組生產(chǎn)商提供了可用資源的靈活性。標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)的SAW制造工藝在市場(chǎng)上的區(qū)分度不大，主要的區(qū)別在于設(shè)計(jì)方案。然而，隨著性能需求的增加，需要諸如溫度補(bǔ)償TC和更高頻率的解決方案，先進(jìn)的SAW工藝會(huì)變得越來(lái)越復(fù)雜，并且會(huì)在制造商之間差別越來(lái)越大，這也會(huì)使得SAW工藝相對(duì)于BAW的成本優(yōu)勢(shì)受到削弱。

    Broadcom（來(lái)自Avago）和Qorvo（來(lái)自TriQuint）是智能手機(jī)領(lǐng)域中僅有的兩家批量供應(yīng)商，因此BAW濾波器的供應(yīng)商的規(guī)模要小得多。Broadcom憑借其FBAR技術(shù)在濾波器體積和器性能方面處于領(lǐng)先地位。Qorvo擁有SMR技術(shù)，并且與FBAR的性能差距很小，因此占據(jù)了第二的位臵。兩家公司在過(guò)去十年中都增加了大量產(chǎn)能以滿(mǎn)足濾波器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。并且這兩家公司都將其制造工藝從150毫米晶圓轉(zhuǎn)變到200毫米晶圓，且兩家公司都積極并購(gòu)硅晶圓廠(chǎng)以滿(mǎn)足未來(lái)的預(yù)期需求。由于BAW工藝的復(fù)雜性，BAW技術(shù)的進(jìn)入壁壘明顯高于SAW。除了工藝流程的復(fù)雜性之外，兩家公司都擁有涵蓋該技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP。2009年至2012年期間，Avago和TriQuint就BAW技術(shù)專(zhuān)利進(jìn)行了大的法律訴訟，最終達(dá)成了交叉許可協(xié)議。之后兩家公司積極增加各自的專(zhuān)利組合，這進(jìn)一步提高了技術(shù)門(mén)檻。然而，BAW濾波器市場(chǎng)的前景依然非常可觀(guān)，Skyworks，RF360Holdings和TaiyoYuden也宣布將會(huì)提供基于BAW的產(chǎn)品。初創(chuàng)公司Akoustis通過(guò)使用單晶AlN開(kāi)發(fā)了一種非常高性能的BAW技術(shù)，在此前其他供應(yīng)商使用的則是多晶AlN方案。

    Akoustis技術(shù)公司(前稱(chēng)為Danlax,Corp.)是根據(jù)美國(guó)內(nèi)華達(dá)州法律于2013年4月10日注冊(cè)成立，總部設(shè)在北卡羅來(lái)納州的亨茨維爾。2015年4月15日，公司更名為Akoustis技術(shù)公司。2017年3月，登陸納斯達(dá)克。

    目前Akoustis已經(jīng)宣布推出了三款商用濾波器產(chǎn)品：第一款是用于三頻WiFi路由器應(yīng)用的商用5.2GHzBAWRF濾波器；第二款是針對(duì)雷達(dá)應(yīng)用的3.8GHzBAWRF濾波器；第三款A(yù)KF-1652是針對(duì)未來(lái)4GLTE和5G移動(dòng)設(shè)備5.2GHzBAWRF濾波器。

AkousticXBAW單晶體濾波器在1-7GHz頻率的應(yīng)用

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理

    雖然目前我們所討論的濾波器技術(shù)都不直接涉及化合物半導(dǎo)體，但在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于性能需求，大量的器件會(huì)使用化合物半導(dǎo)體設(shè)計(jì)。對(duì)sub-6GHz以下頻段，基于現(xiàn)有的架構(gòu)，使用化合物半導(dǎo)體工藝可以具有更高的性能。對(duì)于20GHz以上的毫米波頻率，會(huì)根據(jù)應(yīng)用選擇性使用化合物半導(dǎo)體器件優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。載波頻率進(jìn)行上下變頻時(shí)，還可能需要用到混頻器和壓控振蕩器之類(lèi)的器件，這些都可能采用化合物半導(dǎo)體制造工藝，這都是為了支持5G制式可能采用的架構(gòu)所用到的部件，而4G中這些組件不在移動(dòng)設(shè)備中使用。

    5G制式下聲學(xué)濾波器的限制顯得更加關(guān)鍵。BAW濾波器目前應(yīng)用在2.5-3.5GHz，5G制式下將會(huì)占領(lǐng)3.5-6.0GHz。隨著頻率增加到6.0GHz，性能挑戰(zhàn)將會(huì)非常明顯。為了避免濾波器性能在高頻時(shí)的下降，必須開(kāi)發(fā)改進(jìn)型聲學(xué)諧振器技術(shù)。SAW濾波器將會(huì)沿用當(dāng)前工藝，在改進(jìn)的同時(shí)繼續(xù)在低頻區(qū)域占據(jù)成本優(yōu)勢(shì)。SAW濾波器將主導(dǎo)5G中新出現(xiàn)的600-700MHz頻段。依據(jù)目前的技術(shù)現(xiàn)狀，還沒(méi)有可以替代SAW和BAW濾波器的其他可用的先進(jìn)濾波器技術(shù)，因此在未來(lái)5年之內(nèi)目前的手機(jī)收發(fā)機(jī)架構(gòu)不會(huì)發(fā)生本質(zhì)性變化。

    對(duì)于27GHz以上的毫米波頻率，濾波器的挑戰(zhàn)將是巨大的。目前的高性能毫米波濾波器確實(shí)存在，但大多數(shù)的尺寸和重量并不適用于與移動(dòng)設(shè)備。小型化EM波導(dǎo)和腔體濾波器的新技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。腔體濾波器的預(yù)期性能應(yīng)高于EM波導(dǎo)濾波器，但是EM波導(dǎo)濾波器可以使用薄膜工藝，有低成本優(yōu)勢(shì)。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢(xún)發(fā)布的《2019-2025年中國(guó)電感濾波器行業(yè)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)態(tài)勢(shì)及發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告》