B82721K2282U030滤波器信号调节器,声音表滤波器

B82721K2282U030滤波器信号调节器,声音表滤波器

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。

介质滤波器

介质滤波器利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点
设计制作的，由数个长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。其特点是插入损耗小、耐功率性好、
带宽窄，特别适合CT1，CT2，900MHz，1.8GHz，2.4GHz，5.8GHz，便携电话、汽车电话、无线耳机、
无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。

有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进
行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。早
在70年代，有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就已被确定，但由于受当时的技术条件限制，未能
使有源电力滤波器得以实施。进入80年代后，新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功
功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电
力滤波器，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的
方向发展。

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。

Qualcomm与RF360率先发布支持体声波和表面声波滤波射频前端
2018年2月27日，巴塞罗那——Qualcomm Incorporated（NASDAQ: QCOM）
子公司Qualcomm Technologies, Inc.和Qualcomm与TDK的合资企业RF360控股
新加坡有限公司（“RF360控股公司”）率先发布一款包含最新体声波（BAW）和
表面声波（SAW）滤波技术的六工器射频解决方案，支持最佳的性能、尺寸和成本
，以应对日益复杂的频率、频段组合。全新的六工器解决方案完善了我们的滤波器、
双工器和多工器产品线，可应对运营商部署的各种载波聚合配置，在其扩展千兆级
LTE覆盖、提升速度与网络容量时增强用户体验。通过在Qualcomm Technologies
功率放大器模组中简化对载波聚合的支持，全新的解决方案可帮助OEM厂商改善产
品设计尺寸、提高产品设计成本效率，帮助厂商加速产品的全球上市时间，让OEM
厂商从中受益。对消费者而言，六工器解决方案的低插入损耗可支持长电池续航和
出色的数据传输速率。

随着智能手机达到千兆级LTE速率，手机中蜂窝频段的数量也在迅速增加以提供支持。
为了在广泛的频率频段上支持载波聚合、同时管理干扰问题并提供卓越的无线电性能，
先进的滤波技术是必需的。全新的六工器解决方案可集成在包括双工器模组在内的功
率放大器模组（PAMiD）中，并为下一代PAMiD模组提供关键的声学构建模块。基
于BAW和SAW的六工器是前代四工器的升级，通过在千兆级LTE和未来的5G多模终
端中支持面向载波聚合的、极具竞争力的射频性能，它们将成为设计具备轻薄外形的
单天线终端的关键。

Qualcomm高级副总裁兼射频前端业务总经理Christian Block表示：“随着人们对数
据速率和网络容量永无止境的需求，以及载波聚合复杂性的不断攀升，OEM厂商和运
营商在满足消费者对于顶级联网用户体验的期望上面临着挑战。Qualcomm Technol
ogies和RF360控股的六工器解决方案集成了我们最新的BAW/SAW滤波技术，旨在激
发设计灵活性的同时提供最佳的性能。”

常见的10种滤波器
1、数字滤波器
　　与模拟滤波器相对应，在离散系统中广泛应用数字滤波器。它的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号
波形或频率进行加工处理。或者说，把输入信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。
　　2、低通滤波器
　　低通滤波器是指车载功放中能够让低频信号通过而不让中、高频信号通过的电路，其作用是滤去音频信号中
的中音和高音成分，增强低音成分以驱动扬声器的低音单元。由
　　3、带通滤波器
　　它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。
　　4、带阻滤波器
　　与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的
信号几乎不受衰减地通过。
　　5、巴特沃斯滤波器
　　从幅频特性提出要求，而不考虑相频特性。巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性，其幅频响应表达式为：
　　6、切贝雪夫滤波器
　　切贝雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其幅频响应表达式为：ε是决定通带波纹大小的系数，波
纹的产生是由于实际滤波网络中含有电抗元件。
　　7、声表面波滤波器
　　声表面波是指声波在弹性体表面的传播，这个波被称为弹性声表面波。声表面波的传播速度比电磁波的速度约
小10万倍。声表面波滤波器是采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而
制成的一种滤波专用器件，广泛应用于电视机及录像机中频电路中，以取代LC中频滤波器，使图像、声音的质量大
大提高。
　　SAW声表滤波器、声表谐振器，是在压电基片材料表面产生并传播、且其振幅随深入基片本材料的深度增加而
迅速减少的的弹性波。声表面波（SAW）是传播于压电晶体表面的机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，传
播衰耗很小。
　　SAW声表器件是在压电基片上采用微电子工艺技术制作叉指形电声换能器和反射器耦合器等，利用基片材料的
压电效应，通过输入叉指换能器（IDT）将电信号转换成声信号，并局限在基片表面传播，输出IDT将声信号恢复成
电信号，实现电-声-电的变换过程，完成电信号处理过程，获得各种用途的电子器件。
　　8、介质滤波器
　　介质滤波器利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点设
计制作的，由数个长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。
　　其特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄，特别适合CT1，CT2，900MHz，1.8GHz，2.4GHz，5.8GHz，
便携电话、汽车电话、无线耳机、无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。
　　9、有源电力滤波器
　　有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行
补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。
　　早在70年代，有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就已被确定，但由于受当时的技术条件限制，未能
使有源电力滤波器得以实施。进入80年代后，新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率
理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。
　　国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿
用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。
　　10、模拟滤波器
　　模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如：带通滤波器用作频谱分析仪中的选频
装置；低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波；高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；
带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器，等等。

在通信设备中，射频信号处理单元负责信号的发送与接收，包含射频收发器、天线、
射频前端等。其中，射频前端由一系列组件构成，包含功率放大器（PA）、滤波器
（Filters）、开关（Switch）、双工器（Diplexer/Duplexer，由 2 个滤波器组成）、
低噪声放大器（LNA） 等，分别对应不同的射频信号处理功能，本篇将就射频关键
器件滤波器进行专题分析。

一、定义及功能
射频滤波器又名“射频干扰滤波器”，是消费电子中必不可缺的重要元器件之一。射
频滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，主要负责对通信通道中的信号频率
进行滤波。滤波器允许符合特定频率的信号通过，同时抑制其他不需要的频率信号，
可解决不同频段和通信系统之间产生的信号干扰问题，广泛应用于基站和终端设备的
射频信号处理系统中。从射频信号处理系统的布局来看，在射频发射路径中，滤波器
位于功率放大器的后侧；在射频接收路径中，滤波器位于低噪声放大器的前侧。

射频前端的信号传输路径分为发射通道和接收通道，（1）发射通道路径为“基带芯片
- 射频收发模块-开关-PA-滤波器/双工器-开关-天线-信号”；（2）接收通道路径为“
信号- 天线-开关-滤波器/双工器-LNA-开关-射频收发模块-基带芯片”。

二、关键性能指标
射频滤波器性能的优劣直接影响通讯系统的通信质量。Q 值、带宽、阻带抑制度、插入
损耗、延迟时间等是衡量滤波器性能的指标。其中，Q 值和插入损耗是选择滤波器的最
常用、最主要的性能指标。

三、滤波器分类

声学滤波器是目前手机应用的主流滤波器，可分为声表滤波器（SAW 滤波器）和体声
波滤波器（BAW 滤波器）。按照射频滤波器的应用场景和材料工艺两个方向进行分类：

（一）按应用场景分类
射频滤波器在无线通信终端的基站市场和手机市场应用最多，因此按照应用场景分类，
滤波器可分为通信基站滤波器和手机滤波器。不同应用场景对滤波器的要求不同，因此
手机滤波器与基站滤波器的体积、制造工艺、适用宽带、成本、功率容量等特征存在明
显差异。基站滤波器更注重高稳定性、大带宽、大功率等指标，而手机滤波器对价格、
体积（手机射频滤波器尺寸为毫米级别，基站射频滤波器为厘米级别）更为敏感。

基站射频滤波器主要分为金属腔体滤波器（应用于2G-4G时代基站，应用率达95，产
业链成熟，适用于低频通信）和介质滤波器（使用5G基站建设小型化和轻量化需求，
是5G 基站的新风口），对应的制造工艺分别是金属精密加工和介质烧结；手机射频滤
波器主要为声波滤波器，包含SAW、TC-SAW、BAW、FBAR等，对应的制造工艺为半
导体制造工艺。

（二）按工艺材料分类

射频滤波器可分为声学滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器，其中声学滤波器（SAW、
BAW）是目前手机应用的主流滤波器。根据技术不同，声学滤波器又可分为声表滤波
器（SAW 滤波器）和体声波滤波器（BAW 滤波器）两种。其中，SAW 滤波器产品包
括普通的SAW、具有温度补偿特性的TC-SAW 滤波器及高频 I.H.P-SAW；BAW滤波器
产品包括BAW-SMR 和FBAR。

四、SAW 滤波器

SAW 滤波器采用半导体平面工艺制作，具有良好的一致性和重复性，并可实现低成本
批量生产。一般的 SAW 滤波器由压电材料衬底和两个 IDT 交叉环能器构成。IDT 交叉
换能器是由交叉排列的金属电极组成，左侧 IDT 将电信号转成声波，右侧 IDT 将声波转
成电信号。IDT 能把电信号转换成声波主要是因为其下方压电衬底产生压电效应，其中
SAW 滤波器的压电材料一般采用滤波器常用的压电材料有钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锂（
LiNbO3）、二氧化硅（SiO2）等。

（一）工作原理

SAW 滤波器的基本原理是在输入端通过压电效应将电信号转为声信号在介质表面上传播，
而在输出端由逆压电效应将声信号转为电信号。对于 SAW，也叫 Rayleighsurface wave，
既有纵波也有横波。固体中粒子以椭圆轨迹震动，椭圆的长轴垂直于固体表面，随着固体
深度越深，粒子运动幅度越小。

穿过基板表面的声波（在固体材料中，交替的机械形变会产生3,000 至12,000 米/ 秒速度
的声波）移动的速度慢于任一端上 IDT 的电气速度。而穿过基板的波发生的延迟在接收端
的 IDT 处相结合，产生极高品质因数（Q 值可达数千）的驻波，进而产生了有限冲激响应
（FIR）滤波器响应。通过调整穿过基板的行进距离和 IDT 指的尺寸，可改变冲激响应。而
这就决定了带宽、中心频率、类型和其他因素。

SAW的频率基本可以参考公式：F=V/λ，其中 V 是 SAW 的速率，大约为 3100m/s，λ是
IDT 电极间距。从公式可以看出 SAW滤波器的频率与 IDT 电极间距成反比，频率越高，IDT
电极间距越小。在 IDT 小间距下，电流密度太大会导致电子迁移和发热问题，所以 SAW滤波
器不太适合 2.5GHz 以上的频率。SAW 滤波器对温度变化也敏感，性能随温度升高而变差，
温度升高时，基片材料的刚度变小，声波速度变小。温度补偿滤波器(TC-SawFilter)就是为了
改善滤波器的温度性能，在 IDT 上增加保护涂层改善其温度特性，使其在温度升高时，刚度增
加，改善温度特性的同时也会使得滤波器成本上升。