了解RF濾波器的重要概念

『這個(gè)知識(shí)不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識(shí)的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀，以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。本篇繼續(xù)闡述 RF 濾波器的一些重要概念。

了解濾波器的溫度系數(shù)

似乎每年都會(huì)為手機(jī)、Wi-Fi、汽車等應(yīng)用分配新的頻譜。增加新的頻譜是好事，它們會(huì)推動(dòng)無(wú)線設(shè)備逐步改進(jìn)。但增加這些額外的頻譜有時(shí)候會(huì)影響到某些區(qū)域，導(dǎo)致其中的頻段相互重疊。此外，因?yàn)?RF 路徑增加，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量隨之增加。

為了確保妥善隔離這些信號(hào)路徑，會(huì)使用溫度系數(shù)較低的RF濾波器。但并不是任何一種濾波器都適用于這些頻段緊密相連的應(yīng)用。如圖1所示，手機(jī)和Wi-Fi頻段有時(shí)候緊挨著彼此，只相差幾個(gè)兆赫茲。我們使用BAW等RF濾波器技術(shù)來(lái)確保這些頻段彼此共存。

圖1：緊密連接的 Wi-Fi 和手機(jī)頻段的示例

在SAW和BAW技術(shù)中，采用最優(yōu)的溫度系數(shù)至關(guān)重要。它可以決定一個(gè)應(yīng)用是容易遭到RF干擾，還是具有出色的信號(hào)質(zhì)量。在BAW和SAW技術(shù)中，濾波器響應(yīng)基于溫度變化，如圖2所示。

圖2：壓電式濾波器的溫度漂移

當(dāng)濾波器響應(yīng)隨著應(yīng)用溫度而改變時(shí)，濾波器帶寬在變冷時(shí)向右漂移，在變熱時(shí)向左漂移。濾波器的溫度漂移是由工藝的百萬(wàn)分之一攝氏度(ppm/°C) 特性和濾波器在應(yīng)用中經(jīng)歷的溫度漂移決定的，如圖2所示。

應(yīng)用的頻率和環(huán)境條件通常是固定的，因此，要將濾波器的溫度漂移降到最低，唯一方法是通過工藝技術(shù)。使用溫度補(bǔ)償（TC）濾波器工藝技術(shù)會(huì)影響濾波器的整體響應(yīng)。如圖2所示，TC-SAW、多層SAW和BAW技術(shù)工藝大大降低了單個(gè)濾波器的溫度漂移。這些BAW、多層SAW和TC-SAW工藝技術(shù)提供更低的插入損耗，產(chǎn)生更陡的濾波器裙邊，并提供更好的溫度響應(yīng)，這些都等同于溫度變化期間更好的帶外衰減。它們還能提高接收器的靈敏度、隔離和抑制。

與SAW濾波器相比，BAW濾波器本身對(duì)溫度變化的敏感度更低。溫度補(bǔ)償（TC-SAW和TC-BAW）甚至?xí)M(jìn)一步降低溫度敏感度。

在BAW中，可以使用某些設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)創(chuàng)建TC-BAW類型的結(jié)果，但一般來(lái)說，當(dāng)涉及到實(shí)現(xiàn)良好的溫度系數(shù)值時(shí)，BAW是有效的。但是，由于結(jié)構(gòu)不同，三種類型的BAW在求解溫度系數(shù)時(shí)存在差異。

下圖說明空腔可能會(huì)影響散熱路徑，從而影響濾波器的溫度系數(shù)。在5G和Wi-Fi應(yīng)用中，當(dāng)處于更高頻率時(shí)，BAW相較于FBAR的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。由于諧振器的尺寸更小，所以在更高頻率下，處理濾波器的功率會(huì)變得更具挑戰(zhàn)性。但是，在使用BAW時(shí)，反射器層也會(huì)變得更薄，這會(huì)進(jìn)一步改善散熱。

圖3：BAW 與 FBAR 濾波器在功率和散熱方面的比較

相比之下，使用FBAR時(shí)，空腔上方的膜變得更薄，降低了它從諧振器轉(zhuǎn)移熱量的能力。因此，當(dāng)BAW和FBAR之間的插入損耗為常數(shù)時(shí)，發(fā)射功率每升高一瓦，溫度升高20°C，F(xiàn)BAR則是每瓦升高70°C。溫度變化越小，性能越高，使得BAW濾波器能夠滿足系統(tǒng)在高功率、高溫條件下的插入損耗和帶外衰減要求。此外，因?yàn)楦逹因數(shù)和高耦合，BAW濾波器具有低插入損耗，這有助于降低功耗和相關(guān)的散熱問題。

由于如今的高頻率和小尺寸應(yīng)用，溫度方面的限制也愈加嚴(yán)苛。此外，設(shè)計(jì)的頻率越高，要滿足參數(shù)要求的難度就越大。其中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是插入損耗。線路長(zhǎng)度、匹配組件、濾波器組件和連接走線都會(huì)對(duì)插入損耗產(chǎn)生額外影響。頻率高于3GHz時(shí)尤其如此。為了優(yōu)化系統(tǒng)的鏈路預(yù)算，需要使用低插入損耗濾波器。

Q因數(shù)評(píng)估

濾波器的插入損耗由多種因素決定。其中包括相對(duì)于中心頻率的濾波器帶寬、濾波器的階數(shù)，以及組成組件的諧振器的Q因數(shù)。Q因數(shù)是衡量諧振電路的選擇性的一個(gè)指標(biāo)。

如圖4所示，諧振器損耗和耦合是實(shí)現(xiàn)低插入損耗和高選擇性的關(guān)鍵。如果諧振器的耦合和阻抗相似，可以通過Q因數(shù)來(lái)比較它們的性能。

圖4：RF 濾波器的Q因數(shù)、帶寬和衰減特性

了解濾波器耦合系數(shù)

在濾波器技術(shù)中，驅(qū)動(dòng)應(yīng)用性能的兩個(gè)性能參數(shù)是濾波器耦合系數(shù)和Q因數(shù)。

RF 濾波器諧振器耦合系數(shù)是決定聲學(xué)耦合濾波器帶寬的關(guān)鍵因素。在SMR或FBAR配置中，提高BAW濾波器諧振器的耦合效率可以在小封裝尺寸下提供低插入損耗和高性能。

有效耦合系數(shù)（K2eff）是測(cè)量諧振頻率（?s）和抗諧振頻率（?p）之間的相對(duì)間距的一種指標(biāo)。它的值取決于許多因素，包括電極和壓電特性。

機(jī)電耦合系數(shù)用于測(cè)量壓電式器件在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能時(shí)的效率，反之亦然。互能，或可轉(zhuǎn)換能，是彈性能和介電能。為了使濾波器諧振器的耦合系數(shù)達(dá)到最大，提供的聲能反射應(yīng)盡可能接近諧振器，這一點(diǎn)至關(guān)重要。例如在BAW濾波器中，諧振器的有效耦合系數(shù)決定了濾波器可獲得的平坦通帶帶寬。

了解濾波器封裝

在許多應(yīng)用中，射頻前端 (RFFE) 的表面積在不斷縮小。之所以出現(xiàn)這種變化，主要是因?yàn)槠骷叽绮粩嗫s小，以及需要為更多消費(fèi)電子功能騰出空間。

如今的大多數(shù)封裝都是模塊和單片集成，或者兩者的組合集成。下圖展示了一個(gè)高度集成的模塊，包括功率放大器、BAW 濾波器和天線開關(guān)。這個(gè)模塊又會(huì)集成到更復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 中。而這只是常規(guī)應(yīng)用中單個(gè)SiP內(nèi)集成的多個(gè)復(fù)雜模塊中的一個(gè)。

圖5：SiP內(nèi)部的復(fù)雜RF模塊

在了解 RF 濾波器技術(shù)的一些重要基礎(chǔ)概念之后，更多系統(tǒng)工程師使用濾波器技術(shù)的實(shí)例將逐步呈現(xiàn)給大家。

審核編輯：湯梓紅