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射頻干擾一直是無(wú)線(xiàn)通信的天敵，它要求設計師采取凌厲手段以束其就范。隨著(zhù)每臺
設備內所支持頻段的日益增多，當今的無(wú)線(xiàn)設備必須要同時(shí)防范來(lái)自其它設備及自身的干擾信號。
一款高端智能手機必須要對多達15個(gè)頻段的2G、3G和4G無(wú)線(xiàn)接入方式的發(fā)送和接收路徑進(jìn)行濾波，同時(shí)要濾波的還包括：Wi-Fi、藍牙和GPS接收器的接收路徑。必須對 各接收路徑的信號進(jìn)行隔離。還必須要對出處雜多、難以盡舉的其它外部信號進(jìn)行抑制。要做到這點(diǎn)，一款多頻段智能手機需要八或九個(gè)濾波器和八個(gè)雙工器。如果沒(méi)有聲濾波技術(shù)，這將難以實(shí)現。
SAW ：成熟且仍在發(fā)展
聲 表面波（SAW）濾波器廣泛應用于2G接收機前端以及雙工器和接收濾波器。 SAW濾波器集低插入損耗和良好的抑制性能于一身，不僅可實(shí)現寬帶寬，其體積還比傳統的腔體甚至陶瓷濾波器小得多。因為SAW濾波器制作在晶圓上，所以可 以低成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。SAW技術(shù)還支持將用于不同頻段的濾波器和雙工器整合在單一芯片上，且僅需很少或根本不需額外的工藝步驟。
存 在于具有一定對稱(chēng)性晶體內的壓電效應是聲濾波器的‘電動(dòng)機’及 ‘發(fā)電機’ 。當對這種晶體施以電壓，晶體將發(fā)生機械形變，將電能轉換為機械能。當這種晶體被機械壓縮或展延時(shí)，機械能又轉換為電能。在晶體結構的兩面形成電荷，使電 流流過(guò)端子和/或形成端子間的電壓。電氣和機械能量間的這種轉換的能量損耗極低，無(wú)論電/機還是機/電能量轉換，效率都可高達99.99%。
在固態(tài)材料中，交替的機械形變會(huì )產(chǎn)生3,000至12,000米/秒速度的聲波。在聲濾波器內，對聲波進(jìn)行導限以產(chǎn)生極高品質(zhì)因數（Q值可達數千）的駐波（standing waves）。這些高Q值的諧振是聲濾波器的頻率選擇性和低損耗特性的基礎。
在一款基礎SAW濾波器（圖1）中，電輸入信號通過(guò)間插的金屬交指型換能器（IDT）轉換為聲波，這種IDT是在諸如石英、鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）等壓電基板上形成的。在一款非常小設備內，IDT的低速特性非常適合眾多波長(cháng)通過(guò)。
圖1 ：基本SAW濾波器
但SAW濾波器有局限性。高于約1GHz時(shí)，其選擇性降低；在約2.5GHz，其使用僅限于對性能要求不高的應用。SAW器件易受溫度變化的影響，是個(gè)老大難問(wèn)題：溫度升高時(shí)，其基片材料的剛度趨于變小、聲速也降低。
一種替代方法是使用溫度補償（TC-SAW） 濾波器，它是在IDT的結構上另涂覆一層在溫度升高時(shí)剛度會(huì )加強的涂層。溫度未補償SAW器件的頻率溫度系數（TCF）通常約為-45ppm/℃，而 TC-SAW濾波器則降至-15到-25ppm/℃。但由于溫度補償工藝需要加倍的掩模層， 所以，TC-SAW濾波器更復雜、制造成本也更高，但仍比體聲波（BAW）濾波器便宜。
濾波器
高性能BAW
雖然SAW和TC-SAW濾波器非常適合約1.5GHz以?xún)鹊膽?，高?.5GHz 時(shí)，BAW濾波器非常具有性能優(yōu)勢（圖2）。BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小，這使它非常適合要求非?？量痰?G和4G應用。此外，即便在高寬帶設 計中，BAW對溫度變化也不那么敏感，同時(shí)它還具有極低的損耗和非常陡峭的濾波器裙邊（filter skirt）。
圖2 ：高于1.5GHz時(shí)，BAW濾波器非常具有性能優(yōu)勢
不同于SAW濾波器，BAW濾波器內的聲波垂直傳播（圖3）。對使用石英晶體作為基板的BAW諧振器來(lái)說(shuō)，貼嵌于石英基板頂、底兩側的金屬對聲波實(shí)施激勵， 使聲波從頂部表面反彈至底部，以形成駐聲波。而板坯厚度和電極質(zhì)量（mass）決定了共振頻率。在BAW濾波器大顯身手的高頻，其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(shí)現諧振器結構。
圖3： BAW濾波器內的聲波垂直傳播。
為使聲波不散漫到基板上，通過(guò)堆疊不同剛度和密度的薄層形成一個(gè)聲布拉格（Bragg）反射器。這種方法被稱(chēng)為牢固安裝諧振器的BAW或BAW-SMR器件（圖4）。另一種方法，稱(chēng)為薄膜體聲波諧振器（FBAR），它是在有源區下方蝕刻出空腔，以形成懸浮膜。
圖4：BAW–SMR器件。
因這兩種類(lèi)型BAW濾波器的聲能密度都很高、其結構都能很好地導限聲波，它們的損耗都非常低。在微波頻率，BAW可實(shí)現的Q值、在可比體積下、比任何其它類(lèi)型的濾波器都高，可達：2500@2GHz。這使得即使在通帶邊緣的吃緊處，它也有極好的抑制和插入損耗性能。
濾波器
雖然BAW和FBAR濾波器的制造成本更高，其性能優(yōu)勢非常適合極具挑戰性的LTE頻帶以及PCS頻帶，后者的發(fā)送和接收路徑間只有20MHz的狹 窄過(guò)渡范圍。 BAW和FBAR濾波器的IDT可做得足夠大，以支持4W@2GHz的更高射頻功率。BAW器件對靜電放電有固有的高阻抗，其BAW-SMR變體具有約 -17ppm/℃ @2GHz的TCF 。
隨著(zhù)頻譜擁擠導致縮窄甚至舍棄保護頻帶的趨勢，對于高性能濾波器的需求顯著(zhù)增加。 BAW技術(shù)使人們有可能設計出具有非常陡峭濾波器裙邊、高抑制性能以及溫漂很小的窄帶濾波器，它非常適合處理相鄰頻段之間非常棘手的干擾抑制問(wèn)題。 TriQuint及其它濾波器制造商的工程師正在努力實(shí)現4％或更高帶寬、損耗更低、TCF基本為零的BAW-SMR濾波器。
BAW 器件所需的制造工藝步驟是SAW的10倍，但因它們是在更大晶圓上制造的，每片晶圓產(chǎn)出的BAW器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。 然而，對一些分配在2GHz以上極具挑戰性的頻段來(lái)說(shuō)，BAW是唯一可用方案。因此，BAW濾波器在3G/4G智能手機內所占的份額在迅速增長(cháng)。
我 們TriQuint的設計團隊專(zhuān)注于優(yōu)化BAW和 BAW-SMR架構，而非FBAR架構 。在BAW-SMR濾波器底部電極下方使用的聲反射器使其在FBAR面臨挑戰的頻段擁有優(yōu)化的帶寬性能。反射器使用的二氧化硅還顯著(zhù)減少了BAW的整體溫 漂，該指標遠好于BAW甚至FBAR所能達到的水平。由于諧振器位于結實(shí)的材料塊上，其散熱比FBAR好得多，后者采用一個(gè)膜，僅能通過(guò)邊緣散熱。這使得 BAW器件可實(shí)現更高的功率密度，不久就會(huì )有可用于小蜂窩基站應用10W級器件的問(wèn)世。
總結
未來(lái)幾年，SAW、TC-SAW和BAW濾波器及雙工器的各種選擇將成為各類(lèi)無(wú)線(xiàn)設備更重要的組成部分。隨著(zhù)各類(lèi)發(fā)射器的增加、更高頻率內更多無(wú)線(xiàn)頻段的分配、加之全球頻譜管理依然各自為政，射頻干擾抑制將變得越來(lái)越具有挑戰性。
濾波器
