聯(lián)系我們 Contact
惠州市嵐方實業(yè)有限公司
電話：400-6296-898
傳真：0752-2042189
郵箱：sales@lanfsy.com
地址：惠州市博羅縣羅陽鎮(zhèn)西北路8號
郵編：516100
射頻前端兵家必爭之地：濾波器
隨著移動設(shè)備功能越來越強大，支持的網(wǎng)絡(luò)頻段越來越多，射頻前端模塊成了移動設(shè)備中不可缺少的一部分。舉例來說，一款較新的手機至少需要支持2G，3G，4G以及WiFi，GPS等網(wǎng)絡(luò)制式，而每一個制式都需要自己的射頻前端模塊。射頻前端模塊一般包括天線開關(guān)，多路器，濾波器，功率放大器與低噪聲放大器等等。這些器件目前仍無法用集成度最高的CMOS工藝制造，而必須使用特殊工藝以保證性能。
根據(jù)Mobile Expert LLC的研究報告，2016年在智能手機增長萎靡（9%）的情況下，射頻前端模塊的增長率仍達到了17%。而在射頻前端模塊中，未來發(fā)展最快的，也最關(guān)鍵的模塊就是射頻濾波器模塊。
濾波器到底有多重要
隨著無線通訊應(yīng)用的發(fā)展，人們對于數(shù)據(jù)傳輸速度的要求也越來越高。在2G時代，只有一小部分人會使用手機上網(wǎng)下載鈴聲或瀏覽wap版網(wǎng)頁，需要的數(shù)據(jù)率大約在1KB／s。在3G時代，隨著智能手機的普及，使用運營商網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)收發(fā)郵件，使用各種app等使得網(wǎng)絡(luò)流量劇增，需要的數(shù)據(jù)率大約是50KB／s。到了4G時代的今天，直播等應(yīng)用更是將手機通訊的帶寬需求推向了一個新的高度，需要的數(shù)據(jù)率達到了1MB／s。
與數(shù)據(jù)率上升相對應(yīng)的是頻譜資源的高利用率以及通訊協(xié)議的復(fù)雜化。這兩個問題是相輔相成：由于頻譜資源有限，為了滿足人們對數(shù)據(jù)率的需求，必須充分利用頻譜，因此一部手機必須能夠覆蓋很寬的頻帶范圍，這樣在人群擁擠的情況下不同人的設(shè)備才能夠分配到足夠的頻譜帶寬。同時，為了滿足數(shù)據(jù)率的需求，從4G開始還使用了載波聚合技術(shù)，使得一臺設(shè)備可以同時利用不同的載波頻譜傳輸數(shù)據(jù)。
另一方面，為了在有限的帶寬內(nèi)支持足夠的數(shù)據(jù)傳輸率，通信協(xié)議變得越來越復(fù)雜，因此對于射頻系統(tǒng)的各種性能也提出了嚴格的需求。
在射頻前端模塊中，射頻濾波器起著至關(guān)重要的作用。它可以將帶外干擾和噪聲濾除以以滿足射頻系統(tǒng)和通訊協(xié)議對于信噪比的需求。如前所述，隨著通信協(xié)議越來越復(fù)雜，對于通訊協(xié)議對于頻帶內(nèi)外的需求也越來越高，這也使得濾波器的設(shè)計越來愈有挑戰(zhàn)性。另外，隨著手機需要支持的頻帶數(shù)目不斷上升，由于每一個頻帶有需要有自己的濾波器，因此一款手機中需要用到的濾波器數(shù)量也在不斷上升。目前，一款4G手機中的需要用到的濾波器數(shù)量可達30余個。
隨著射頻濾波器變得越來越重要，各大射頻前端廠商也在積極布局濾波器市場。在2014年，射頻前端巨頭RFMD和TriQuint合并成立Qorvo。Qorvo的高層James Klein在接受Compound Semiconductor采訪時坦承，RFMD與合并的重要原因是因為TriQuint的濾波器技術(shù)，而且兩家公司在合并后還在著力發(fā)展濾波器技術(shù)。Klein指出，“公司合并后，GaAs生產(chǎn)線存在產(chǎn)能過剩的問題，我們將逐漸減小產(chǎn)能以節(jié)省開支。
然而，在濾波器領(lǐng)域，我們不僅不會減少產(chǎn)能反而會加大投入?！迸c此同時，射頻芯片龍頭高通與日本濾波器大廠TDK也于2016年年初成立合資公司RF360，以布局射頻濾波器市場。與之相應(yīng)的是，各大行業(yè)研究結(jié)構(gòu)也看好射頻濾波器市場未來的發(fā)展。Technavio在研究報告中指出，射頻濾波器市場2016-2020的年復(fù)合增長率可達15%，并且已經(jīng)超越PA成為整個射頻前端模塊市場中最重要的組成部分。
濾波器技術(shù)簡介
射頻濾波器最主要的指標包括品質(zhì)因數(shù)Q和插入損耗。在目前的通訊協(xié)議中，不同頻帶間的頻率差越來越小，因此需要非常好選擇性，讓通帶內(nèi)的信號通過并阻擋通帶外的信號。Q越大，則濾波器可以實現(xiàn)越窄的通帶帶寬，也就是說可以實現(xiàn)較好的選擇性。
除了品質(zhì)因數(shù)Q之外，插入損耗也是重要參數(shù)。插入損耗是指通帶信號被濾波器的衰減，即信號功率損耗。插入損耗有1dB，則信號功率被衰減20%；當(dāng)插入損耗到達3dB時，則信號功率被衰減了50%！在4G時代，信號功率放大并不簡單，如果又有許多功率被浪費在濾波器上，則PA／LNA設(shè)計就更難了。
目前射頻濾波器最主流的實現(xiàn)方式是SAW和BAW。SAW是聲表面濾波器，利用壓電效應(yīng) 。當(dāng)對晶體施以電壓，晶體將發(fā)生機械形變，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。當(dāng)這種晶體被機械壓縮或展延時，機械能又轉(zhuǎn)換為電能。在晶體結(jié)構(gòu)的兩面形成電荷，使電流流過端子和/或形成端子間的電壓。在固態(tài)材料中，交替的機械形變會產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲表面波濾波器內(nèi)，聲波在表面?zhèn)鞑ゲ⑿纬神v波，其品質(zhì)因數(shù)可達數(shù)千。
SAW濾波器
然而，SAW濾波器也有自己的局限。SAW在1.5GHz以下使用非常合適，但是在工作頻率超過1.5GHz時，SAW的Q值開始下降，到2.5GHz時，SAW的選擇性已經(jīng)只能用在一些要求比較低的場合。然而，目前的無線通訊協(xié)議已經(jīng)早就工作大于2.5GHz的頻段（例如4G TD-LTE的Band 41）等，這時候SAW就不夠用了，必須使用體聲波（BAW）濾波器。
BAW濾波器不同于SAW濾波器，BAW濾波器內(nèi)的聲波垂直傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)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>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(shù)實現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)。
為了把聲波的能量局限在濾波器體內(nèi)，可以使用BAW-SMR技術(shù)或FBAR技術(shù)。BAW-SMR技術(shù)通過堆疊不同材質(zhì)的薄層形成一個反射器，而FBAR技術(shù)則在有冤屈下方蝕刻出空腔以實現(xiàn)懸浮膜。
BAW濾波器
BAW濾波器在高頻段可實現(xiàn)低插入損耗和高Q值，成為高性能射頻系統(tǒng)的首選。然而，BAW濾波器的成本目前還很高，這成為了限制BAW普及的重要因素。
濾波器的發(fā)展展望以及中國半導(dǎo)體業(yè)的機會
在未來，射頻濾波器市場還將迎來更多增長。這是因為，隨著4G的成熟和5G的來臨，手機支持的頻段數(shù)量正在上升。在 2012 年全球 3G 標準協(xié)會 3GPP 提出的 LTE R11 版本中，蜂窩通訊系統(tǒng)需要支持的頻段增加到 41 個。
根據(jù)射頻器件巨頭 Skyworks 預(yù)測，到 2020 年， 5G 應(yīng)用支持的頻段數(shù)量將實現(xiàn)翻番，新增 50 個以上通信頻段，全球 2G/3G/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)合計支持的頻段將達到 91 個以上。對于一個頻段而言，一般至少需要兩個濾波器，因此手機頻段數(shù)上升的直接結(jié)果就是手機中使用的射頻濾波器數(shù)量上升，而手機中濾波器的成本也在日漸上升。
無線頻段數(shù)量的演變（ 1999 年-2012 年）
手機中濾波器成本（美元）演變
濾波器市場的前景可謂一片大好，但是濾波器仍然是射頻前端中最具挑戰(zhàn)性的模塊。目前，射頻前端中大部分器件的制造工藝都在漸漸成熟，如PA使用的GaAs，LNA和射頻開關(guān)使用的RF SoI等等，整個射頻前端的集成度也在越來越高。
然而，濾波器的設(shè)計和制造仍然非常困難，成為提高整體射頻前端模塊集成度的短板。在未來，射頻前端的高度集成化是必然的發(fā)展方向，高度集成化的射頻前端模組可以實現(xiàn)更低的成本，更高的性能，最關(guān)鍵的是可以給系統(tǒng)集成商提供turn-key方案。所以，誰在濾波器的制造和集成上發(fā)展最快，誰就能成為射頻前端模塊市場的主導(dǎo)者。與之相反，在濾波器領(lǐng)域技術(shù)落后的公司將在整個射頻前端市場的競爭中漸漸落后。
目前， SAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 TDK-EPCOS 及 Murata，兩者合計占有 60-70%市場份額； BAW 濾波器的主要供應(yīng)商是 Avago 及 Qorvo，兩者占有 90%以上市場份額。
對于中國企業(yè)，在濾波器領(lǐng)域的技術(shù)積累仍顯薄弱，在 saw 濾波器領(lǐng)域，國內(nèi)主要廠商包括以中電 26 所、中電德清華瑩為代表的科研院所、無錫好達電子等廠商，科研院所的產(chǎn)品主要面向軍用通信終端設(shè)備。而濾波器技術(shù)目前仍是公司甚至國家的核心技術(shù)。去年，天津大學(xué)教授張浩在美國被指控竊取FBAR BAW濾波器方面的商業(yè)機密而被美國方面控制，可見其重視程度。
對于中國企業(yè)來說，在濾波器行業(yè)必須踏踏實實進行技術(shù)積累。首先，中國必須有SAW／BAW濾波器的高質(zhì)量加工廠。例如，對于SAW濾波器來說，SAW濾波器的工作頻率由電極條寬度、壓電材料性質(zhì)所決定，電極條愈窄，頻率愈高。采用半導(dǎo)體0.2~0.35μm級的精細加工工藝，可制作出2~3GHz的 SAW濾波器。
因此曝光設(shè)備和光刻技術(shù)是制作高頻SAW濾波器的關(guān)鍵設(shè)備。另外利用傳播更快的聲表面波波動模式或傳播速度更高的壓電材料是提高濾波器工作頻率的另一個手段。中國半導(dǎo)體企業(yè)需要在加工和材料技術(shù)上有自己的技術(shù)儲備才能制造出出色的濾波器。
其次，中國必須有SAW／BAW濾波器設(shè)計人才儲備。除了加工之外，如何設(shè)計SAW／BAW濾波器也是一個極其重要的因素。
目前中國SAW／BAW濾波器設(shè)計還有不少難點尚待突破，例如如何解決SAW濾波器的溫度漂移問題（即在如何讓SAW濾波器在不同溫度時的頻率響應(yīng)盡量不變）。SAW／BAW濾波器的設(shè)計與制造工藝息息相關(guān)，設(shè)計必須緊密結(jié)合制造工藝進行，設(shè)計者也必須對于制造工藝有扎實的理解。
在目前，濾波器設(shè)計最好的模式還是IDM，設(shè)計和制造在同一家公司進行可以保證最優(yōu)設(shè)計結(jié)果，而Fabless 的模式在濾波器技術(shù)發(fā)展尚不成熟的今天還不是一個最好的選擇。
最后，濾波器設(shè)計必須考慮集成。在未來，射頻前端集成化是必然的趨勢，一家只提供濾波器的廠商很難在市場上找到位置，這也是為什么之前RFMD和TriQuint合并的理由之一。
一個理想的濾波器設(shè)計團隊最好是一個射頻前端公司的一個部門，而非自成一家，這樣才能提供一體化的射頻前端模塊方案。為了提高集成度，中國半導(dǎo)體企業(yè)還必須大力發(fā)展封裝技術(shù)。
目前，Qorvo等國外的射頻前端巨頭正在積極研發(fā)WLP等封裝技術(shù)以提高射頻前端的集成度，中國半導(dǎo)體企業(yè)也應(yīng)當(dāng)利用近來國內(nèi)封裝業(yè)的勢頭大力發(fā)展用于射頻前端的封裝技術(shù)。
[聲明]文章版權(quán)歸原作者所有，內(nèi)容為作者個人觀點，本站只提供參考并不構(gòu)成任何投資及應(yīng)用建議，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責(zé)。如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，請在30日內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時間刪除內(nèi)容！
