【導讀】射頻（RF）濾波器是所有RF/微波系統的基礎元件，特別是具備多個信道或頻段的無線通信系統。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，特別是具備多個信道或頻段的無線通信系統。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生最小的影響。
RF濾波器至關重要；因為在許多情況下，不良信號（稱為干擾）會導致系統功能下降甚至損壞。在無線通信系統中，接收器輸入端使用各類RF濾波器來衰減所需頻段之外的信號。RF濾波器還用于減少來自發射器電路的諧波、雜散內容和帶外泄漏。在智能手機等現代電子產品的許多應用場景下，這些設備均配備數種無線通信技術；如果不使用RF濾波器進行適當隔離，這些技術間可能會產生相互干擾——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的緊湊設計限制了物理隔離，工程人員采用RF濾波器來增強所需的隔離效果，并確保這些產品符合必要的標準。這些標準可以是國家和國際監管機構制定的規范，例如美國聯邦通信委員會（FCC）和全球電子通信委員會（ECC），以及Wi-Fi、4G/5G、藍牙?和Zigbee等無線標準。許多現代電子產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，以及近場通信（NFC）技術。
考慮到現代無線通信系統尺寸極其緊湊的特點，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（品質因數），并可以很容易地集成至濾波器組，來用于多頻段濾波應用。在許多情況下，每個頻段都需要不同的RF濾波器，以盡量減少串擾并減輕非線性。為滿足這一需求，工程師們經常使用聲波濾波器（AWF）。
本質上，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。基于這種方式，AWF將高頻信號轉換為聲波信號，然后通過聲學諧振器和濾波技術進行調節，最終轉換回高頻信號。與其它電磁濾波器技術相比，其優勢在于聲波現象比電磁濾波現象大約小五個數量級。實際上，這些因素導致聲學濾波器在類似的性能下可以比傳統電磁濾波器小一個數量級。
AWF包含兩種主要類型——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信號。BAW濾波器引導信號能量通過基板的主體，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很簡單，但現實中，不同的方法會導致性能和頻率能力的顯著差異。
由于制造過程主要包括表面結構的開發，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濾波器相關的相對尺寸和物理特性允許它們能夠被設計成比SAW技術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。
一般來說，SAW濾波器可以在實際中制造用于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，必須了解濾波器應用的要求并解讀濾波器的電氣規格。每個濾波器應用都會對中心頻率、帶寬、所需信號電平和抑制要求等提出需求。系統工程師通常會列出這些系統要求；工程人員在選擇濾波器時，要確保濾波器在保持預算的前提下滿足這些要求，并制定一個將濾波器納入系統設計中的計劃。對于現代無線設備，通常涉及到設計由許多濾波器組成的濾波器組，以滿足嚴格的要求和符合無線與監管機構的標準。
以下為RF濾波器設計的關鍵電氣規格：
● 濾波器類型（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）
大多數無線通信標準強調帶通濾波器與其它幾個帶通濾波器串聯使用，以實現多頻段濾波。這已成為SAW和BAW濾波器一個應用廣泛的典型場景；因為與其它濾波器技術相比，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。這是一個重要的功能，因為帶外頻率內容會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，濾波器常用在發射器輸出端，以減少由相對較高功率的發射器設備產生的非線性結果，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，通過此種濾波器使用方式，原本無法通過無線標準測試的無線發射器可能會通過測試，而無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線通信系統在早期評估中并未被發現實地運行時會面臨的挑戰。在這種情況下，如果能夠通過更嚴格的濾波來解決，則可以利用增強的濾波器來升級無線電，以緩解這些問題。例如，如果無線電在關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比現有濾波器更好的操作。
一般來說，SAW濾波器比BAW濾波器便宜，而且市場上存在大量的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現所需的操作。針對某個特定應用，可以定制SAW和BAW濾波器并量產。幸運的是，BAW和SAW濾波器制造商非常傾向于設計并量產滿足Wi-Fi和4G LTE/5G等各類市場和應用需要的專用SAW和BAW濾波器。特定的BAW和SAW濾波器也是為了應對無線標準共存的突出挑戰，如Wi-Fi和低功耗藍牙?（LE）。
一個廣泛使用的聲學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，專為附近可能存在Wi-Fi 6E無線網絡潛在干擾場景下的宏基站與小型基站而設計。另一個例子是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濾波器是現代無線通信系統中的關鍵部件；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。由于技術的物理限制，RF濾波器并不總十分理想，并可能會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BAW濾波器帶來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——如濾波器類型、通帶、阻帶，和插入損耗——來為他們的系統設計選擇合適的濾波器。
作者：JJ DeLisle
來源：Qorvo
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