射频滤波元器件如何推动5G技术发展

李宁远
射频滤波器主要有三个种类,分别是让低频率信号通过的低通滤波器LPF,然后是让高频率信号通过的高通滤波器HPF。最后是按需求让特定频率信号通过的带通滤波器BPF,现有的滤波器均使用这三种技术中的其中一种。

本文来自微信公众号“电子发烧友网”,文/李宁远。

滤波器,射频前端模块中过滤信号的核心部件,在射频前端市场中占据着最大的份额。从目前射频前端使用滤波器的价值量来看,伴随着通信频段的增多,滤波器在射频前端价值量占比仍有不断扩大的趋势。

不同技术路线的带通滤波器特征与工艺特点

射频滤波器主要有三个种类,分别是让低频率信号通过的低通滤波器LPF,然后是让高频率信号通过的高通滤波器HPF。最后是按需求让特定频率信号通过的带通滤波器BPF,现有的滤波器均使用这三种技术中的其中一种。

应用广泛的陶瓷滤波器在低通滤波器LPF、高通滤波器HPF和带通滤波器BPF中都有其身影,而目前通信设备中最常用的SAW、FBAR(包括BAW)滤波器则都属于带通滤波器。在高频应用领域,FBAR(包括BAW)、SAW和陶瓷滤波器均有各自的特征。

FBAR和SAW有些特性很相近,如耐功率和可最小化尺寸。二者对于通带附近的频率都拥有陡峭的衰减特性,FBAR的带外抑制陡峭度会更好。FBAR更适合使用在一些带外抑制要求较高的频段,更陡峭的衰减特性和更低插入损耗让FBAR在高频段、大带宽下能保持更高的性能。

而陶瓷滤波器,其实可以覆盖到FBAR和SAW都无法实现的宽频率,且插入损耗在各类带通滤波器BPF中也是最低的,耐功率也优于FBAR和SAW。但是,陶瓷滤波器不能衰减,无法提供带外抑制,这是硬伤。在各类为大家熟知的终端里,不同技术的各种滤波器会根据作用功能都有相应的使用。

FBAR采用压电型薄膜,薄膜上下部分均有电极,在压电薄膜下方形成空洞,使压电薄膜产生共振。SAW则是在压电材料的基片上形成梳状的电极idt,信号输入后,压电基片上会产生与外加信号频率相同的机械振动波,通过调整IDT的宽度间隔,让所希望的频率通过。

陶瓷滤波器则有不同的工艺,分为集中常数型滤波和分布常数型滤波。集中常数型滤波是很多电感和电容集成在一个滤波器中,这些集成在其中的电容和电感有着严格的公差,在低通滤波和高通滤波中较为常见。分布常数型滤波中则是谐振器,可以通过增加谐振器数量来实现更宽的带宽和陡峭性能,是BPF类滤波的工艺构造,可以用在5G NR Sub 6GHz频段。

5G发展背后的RF滤波器

在5G已经到来且逐步扩大其应用范围的今天,更高带宽和更快数据速率的巨大需求需要通过不断的网络升级实现。和通信技术不断进步相辅相成的是,市场对射频滤波器的体积、能耗、功能、频段等要求不断提升,高性能的射频滤波器需求日益增多。

这些特性各异的高频率RF滤波器在5G技术的发展中有着重要的推动作用。FBAR滤波器优秀的Q因子值意味着滤波器整体的性能更好,通过先进工艺获得高电气Q因子值,在更高频段、更大带宽下能保持更高的性能。其次,FBAR滤波器适用于更高的频率,不仅能适用于10GHz内频率,甚至还能更高(60GHz),市场对射频滤波器频段等要求是在不断提升的,适配更高频率显然更符合市场趋势。

SAW虽然在5G时代开始在频率上略显吃力,但高端SAW仍然依靠先进的工艺和厂商深厚的积累,体现出了不俗的竞争力,例如村田的IHP-SAW技术,可以实现2.5-3GHz乃至更高的频率性能。在SAW技术探索上,向5G乃至6G突破也有着曙光。分布常数型陶瓷滤波器则依靠高带宽高频能力,在推动5G技术落地中一直稳定地发挥着作用。

小结

5G时代更高带宽和更快数据速率的巨大需求,加上Massive MIMO、载波聚合等技术的应用,对设备的射频元器件性能提出了更高要求。总的来看,更低损耗、更高带宽、陡度以及更轻薄和高可靠性的射频元器件才能满足5G发展的需求。

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