5G时代一部手机要支持50个频段：17%逆市增长率，滤波器的饕餮盛宴

射频滤波器-移动通信快速发展，手机射频滤波器爆发式增长

在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。如前所述，随着通信协议越来越复杂，对于通讯协议对于频带内外的需求也越来越高，这也使得滤波器的设计越来越有挑战性。另外，随着手机需要支持的频带数目不断上升，由于每一个频带有需要有自己的滤波器，因此一款手机中需要用到的滤波器数量也在不断上升。

通信端的收发电路中使用了射频滤波器，这种元件的作用是只让希望的频带的信号通过并遮断其他频率的信号。射频滤波器由多个谐振器组成，通常由将谐振器连接成梯形的梯形电路形成希望的滤波器频带。

后 4G 时代，随着频段越来越多，载波聚合的应用，分离式多模多频（Multi－Mode Multi－Band）已经无法满足手机对射频器件的要求。射频器件开始需要做成射频模组（PAMiD），也就是说将 PA 和滤波器封装到一个模组里，这样可以降低频段之间的相互干扰。这要求 PA 供应商需要开始跟滤波器供应商进行更深度的合作。

从芯片价格来看，滤波器的单个价格并不贵，在 0．06－0．40 美金左右。价格虽低，但是单机用量较大。目前 PCBA 主板上最贵的器件就是主芯片，存储器和射频单元。射频单元是指主板上用到的所有射频 PA 和滤波器。而有些手机上，存储器和射频单元的价格甚至会超过主芯片的价格。而在射频单元里，若为多频段手机，如 4G 五模十三频，滤波器的价格甚至超过了射频 PA 的价格。

一台 5 模 13 频的手机（低端八核 CPU，8GB＋8Gb 容量存储器），滤波器在主板中的占比达到 11%；一台 5 模 13 频的支持多频段 Cat7 手机（高端八核 CPU，16GB＋16Gb 容量存储器），滤波器在主板中的占比达到 10%。

手机在 3G 向 4G 转换过程中，射频滤波器呈现爆发式增长，目前一款 4G手机中的需要用到的滤波器数量可达 30 余个。典型 3G 手机射频滤波器的单机价值量仅为 1.25 美元，而全球漫游 LTE 手机，射频滤波器的单机价值量增长至 7.5 美元，增长高达 6 倍。2016 年在智能手机增长萎靡的情况下，射频前端模块的增长率仍达到了 17%。而在射频前端模块中，发展最快的，也最关键的模块就是射频滤波器模块。

手机射频滤波器主要分为声表面（SAW）滤波器、体声波（BAW）滤波器和薄膜体声波（ FBAR ） 滤波器。SAW 滤波器使用上限频率为2.5GHz~3GHz，BAW 滤波器使用频率在 2.0GHz 以上。

射频滤波器按照功能来分，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器几带阻滤波器，其中带通滤波器应用最多。

SAW 滤波器是 2-4G 通信技术的主力军

2.1 SAW 滤波器独占鳌头

所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电场的现象。具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面波。

声表面波是指沿固体表面传播的波，且能量集中于表面。传播速度比电磁波的传播速度小五个数量级。在声表面波传播途中，可任意存取信号。能利用集成电路技术制造声表面波器件。

声表面（SAW）滤波器是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要没着基片的表面与叉指电极升起的方向传播，故称为声表面波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，另一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

SAW filter 声表面波元件主要作用原理是利用压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器（Transducer）将电波的输入信号转换成机械能，经过处理后，再把机械能转换成电的信号，以达到过滤不必要的信号及杂讯，提升收讯品质的目标。声表滤波器和声表谐振器被广泛应用在各种无线通讯系统、电视机、录放影机及全球卫星定位系统接收器上替代 LC 谐振电路，用于级间耦合和滤波。主要功用在于把杂波滤掉，比传统的 LC 滤波器安装更简单、体积更小。

声表面（SAW）滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺，频率特性的一致性好，因此广泛应用于各种电子设备中。

声表面（SAW）滤波器的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良(可选频率范围为 10MHz~3GHz)、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰(EMI)性能好、可靠性高、制作的器件体小量轻，其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的 1/40 和 1/30 左右，且能实现多种复杂的功能。SAW 滤波器的特征和优点，适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是所需基片材料的价格昂贵，对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高。

声表面（SAW）滤波器在抑制电子信息设备高次谐波、镜像信息、发射漏泄信号以及各类寄生杂波干扰等方面起到良好的作用，可以实现任意所需精度的幅频和相频特性的滤波，这是其它滤波器难以完成的。近年来国外已将 SAW 滤波器片式化，重量只有 0.2g；另外，由于采用了新的晶体材料和最新的精细加工技术，使 SAW 器件上使用上限频率提高到2.5GHz~3GHz。从而促使 SAW 滤波器在抗 EMI 领域获得更广泛的应用。

一款高端智能手机必须要对多达 15 个频段的 2G、3G 和 4G 无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时要滤波的还包括：Wi-Fi、蓝牙和 GPS接收器的接收路径。必须对各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行抑制。要做到这点，一款多频段智能手机需要 4 或 6 个滤波器和多个双工器。如果没有声滤波技术，这将难以实现。

移动通信系统的发射端(TX)和接收端(RS)必须经过滤波器滤波后才能发挥作用，由于其工作频段一般在 800MHz~2GHz、带宽为 17MHz~30MHz，故要求滤波器具有低插损、高阻带抑制和高镜像衰减、承受大功率、低成本、小型化等特点。由于工作频段、体积和性能价格比等方面的优势，SAW 滤波器在移动通信系统的应用中独占鳌头，这是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器望尘莫及的。

从 MTK 平台最新射频前端芯片 MT6169 在 5M12B 全网通的连接示意图可以看出，为了提高各个频段的接受灵敏度和抗干扰能力，在各个通带内使用了大量的 SAW 滤波器、SAW 巴伦滤波器、SAW 双工器。

随着移动通信技术的飞速发展，已由最初的 2G 发展到 3G 再到如今的 4G，而且，在 4G 网络高速发展的同时，各大通信设备巨头已经强势布局 5G 技术，预计 2020 年前后 5G 将正式商用。在未来几年甚至十几年，多代多制式移动通信网络将并存，2G、3G、4G 以及无线局域网（WLAN）等多种不同覆盖能力的异构网络将重叠部署。同时，LTE-FDD 与 TD-LTE 的融合组网试验已在中国十几个重点城市开展，LTE 混合组网将成为我国运营商4G 主要组网方式。通信频谱资源日益紧张，频段分配越来越复杂，共站共址情况日益增加，保护频段不断变窄，市场对滤波器性能的要求也越来越严格。一方面，这给每个系统发射端的频谱和功率提出了更严格的要求，即要保证发射信号具有较高的线性，不能随意增加发射功率来增加通信距离或可靠性。同时，接收端的环境更恶劣，特别对越来越小的移动产品来说，干扰增多就要求接收灵敏度和抗干扰能力必须增强。特别是在 2.4GHz频段，有 ISM、Bluetooth、WiFi、WiMAX 等多种协议的业务。为了保证每个系统正常工作、互不影响，每个系统接收前端具有高性能滤波器显得必不可少，如此才能达到带内插损小、带外衰减大、选择性高，接收机不会由于靠近频段发射机（如，LTE band40, 2300–2400MHz）而对接收机信道堵塞（如 WiFi, 2400 - 2482MHz）。SAW 滤波器小体积、低插损、高抑制的特点正好满足了这方面需求。

TC-SAW 滤波器是在 SAW 滤波器的基础上进行了改进，它是在 IDT 的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。温度未补偿 SAW 器件的频率温度系数（TCF）通常约为-45ppm/℃，而 TC-SAW 滤波器则降至-15 到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层，所以，TC-SAW 滤波器更复杂、制造成本也更高，但仍比体声波（BAW）滤波器便宜，未来 5G 时代，也将迎来较好的发展机遇。

2.2 SAW 滤波器发展趋势：小型片式化、高频宽带化、降低插入损耗

小型片式化

SAW 滤波器的小型片式化，是移动通信和其他便携式产品提出的基本要求。为缩小 SAW 滤波器的体积，通常采取三方面的措施：一是优化设计器件用芯片，使其做得更小；二是改进器件的封装形式，现已由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或 LCCC(无引线陶瓷芯片载体)表面贴装；三是将不同功能的 SAW 滤波器封装在一起构成组合型器件以减小 PCB 面积，如应用于 1.9GHzPCS 终端 60MHz 带宽的双频段 SAW 滤波器以及近年来很多厂家开发的双带式(可支持模拟和数字两种模式)便携式手机用 SAW 滤波器，均装有两个滤波器。

智能手机采用多频带/多标准射频解决方案所面临的挑战，要求在手机中相同甚至更小的物理空间内增加更多的频带。另外，下一代智能手机的性能还必须进一步提升。

在长期演进(LTE)载波聚合(CA)和往后的技术中，通过一根天线支持多频带同时工作的需求，给滤波器和双工器带来了许多附加的挑战。隔离损耗和线性度可能是最难实现的。可重构无线电是值得研究采纳的另一条路径。随着无线电频谱变得越来越拥挤，智能认知无线电正在不断吸引人们的注意力。

使用即将推出的载波聚合和多入多出(MIMO)设计可以用来满足临时的 LTE-A 和最终的 5G 需求。在这些新的系统中迫切需要体积更小的滤波器。

高频、宽带化

为适应电子整机高频、宽带化的要求，SAW 滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽。研究表明，当压电基材选定之后，SAW 滤波器的工作频率则由 IDT 电极条宽决定，IDT 电极条愈窄，频率愈高。采用 0.35μm~0.2μm 级的半导体微细加工工艺，可制作出2GHz~3GHz 的 SAW 滤波器。

拓展 SAW 滤波器的带宽通常从优化设计 IDT 的电极结构入手。如将 IDT 按串联和并联形式连接成梯形若干级联的结构，输入/输出直接实现连接，采用 0.4μm 以下的微细加工技术，就可制作出用于无线局域网(LAN)的 2.5GHz 梯形结构谐振式 SAW 滤波器，带宽达 100MHz;在多重模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的 RF 滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝(PDC)和模拟电话的中频(IF)滤波。

降低插入损耗

早期 SAW 滤波器的最大缺陷是插入损耗大，一般在 15dB 以上，这对于要求低功耗的通信设备特别是接收前端是无法接受的。为满足现代通信系统及其它用途的要求，人们通过开发高性能的压电材料和改进 IDT 设计，使器件的插入损耗降低到 3dB~4dB，最低可达 1dB。但由于 LC 滤波器的调试复杂，选择性和稳定性又较差，因此现在逐渐被 SAW 滤波器所取代。可见，SAW 滤波器的市场前景十分可观。

2.3 全球 SAW 滤波器的竞争格局

全球来看，SAW 滤波器的主要供应商是 TDK（收购的 EPCOS）及Murata，两者合计市场占比达到 68%。

A 股上市公司中麦捷科技、信维通信及顺络电子也在积极布局 SAW 滤波器。

BAW 滤波器-5G 通信将大显身手

3.1 BAW 滤波器大有可为

SAW 滤波器也有自己的局限。SAW 在 1.5GHz 以下使用非常合适，但是在工作频率超过 1.5GHz 时，SAW 的 Q 值开始下降，到 2.5GHz 时，SAW 的选择性已经只能用在一些要求比较低的场合。然而，目前的无线通讯协议已经早就工作大于 2.5GHz 的频段（例如 4G TD-LTE 的 Band 41）等，这时候 SAW 就不够用了，必须使用体声波（BAW）滤波器。

表面波（SAW）器件只能做在如钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶基底上。而 BAW 器件可以做在可选的任意基底上，比如硅就可以做为很好的基底，因而可以直接利用主流 IC 制造厂现有的工艺、设备和基底结构。制作BAW 所需的大多数工序可以直接在标准 IC 生产设备上完成，而不需要任何改变。光刻也不是问题，0.8 微米的特征尺寸就足够了。一个 BAW 器件所需的光刻步骤在 5 个到 10 个之间。BAW 中的缺陷密度也是次要问题，相当大的颗粒也不会导致谐振器失效。

最关键的工序是足够高品质的压电层淀积。尽管压电层是多晶的，但要求所有晶粒的 C 轴方向完全一致。方向不一致的晶粒会严重降低压电耦合因子和品质因子。BAW 器件所用材料最流行的有氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）和锆钛酸铅（PZT）。

SAW 滤波器与 BAW 滤波器的区别：SAW 是声表面波滤波器，在输入端由压电效应把无线信号转换为声信号在介质表面传播，在输出端由逆压电效应将声信号转换为无线信号；BAW 是体声波，采用 FBAR 技术，原理基本同 SAW，唯一的区别是声信号在介质内部传输，故体积可以做的更小（介质的介电常数大于空气）；BAW 相对来说性能可能更好一些，Q 值，相位噪声，体积小等，同时加工起来更难，属于超精细加工。BAW 有 3 层，上下为金属电极，中间为压电材料，谐振在 2G 左右的厚度大概为（0.1um（电极），3um（压电层），0.1um（电极）），所以加工难度较大，成本目前还是较高。

与 SAW 相比，BAW 性能更好，成本也更高，但是当频段越来越多，甚至开始使用载波聚合的时候，就必须得用 BAW 技术才能解决频段间的相互干扰问题。

不同于 SAW 滤波器，BAW 滤波器内的声波垂直传播。对使用石英晶体作为基板的 BAW 谐振器来说，贴嵌于石英基板顶、底两侧的金属对声波实施激励，使声波从顶部表面反弹至底部，以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。在 BAW 滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

为使声波不散漫到基板上，通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格（Bragg）反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的 BAW 或 BAW-SMR 器件。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

不同类型的手机中采用的滤波器类型和数量都是不一样的，比如在功能机时代，只需要普通的 SAW 滤波器就足够了；就算是 3G 手机时代，对BAW 滤波器和 TC-SAW 滤波器的需求也不大。但是到了 4G 时代，一款智能手机必须要对多个频段的 2G、3G 和 4G 无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时还要对 WiFi、蓝牙和 GPS 接收器等的接收路径进行滤波，而高端智能手机可能需要用到滤波器的地方会更多。这些频带范围都不相同，又不能相互干扰，这必然需要更多的滤波器来对这些信号进行隔离。

而 SAW 滤波器由于本身的局限性，一般只适用于 1.5GHz 以下的应用。另外它也易受温度变化的影响。高于 1.5GHz 时，TC-SAW 和 BAW 滤波器则更具性能优势。BAW 滤波器的尺寸还随频率升高而缩小，这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G 和 4G 应用。还有就是即便在高宽带设计中，BAW 对温度变化也没有那么敏感，同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。“BAW 的集成化更高、性能更好、带宽的抑制能力更强，而且它为大于 2GHz 的 LTE 频带进行了优化。”

智能手机中的高级滤波器需求会持续增加，移动设备中的 RF 器件发展主要有三个趋势：一是功率放大器市场是从持平到缓慢下降，主要是因为宽带放大器的应用造成的；二是 CMOS 开关和调谐元件会稳步增长，调谐元件目前很多手机没有，但以后的手机基本都会具备；三是滤波器的增长是非常迅速的，最主要的是频带扩散、载波聚合和分集接收/WiFi。

3.2 FBAR- 新一代射频集成滤波器解决方案

随着无线通信技术朝着高频率和高速度方向迅猛发展，以及电子元器件朝着微型化和低功耗的方向发展，基于薄膜体声波谐振器（Film BulkAcoustic Resonator，FBAR）的滤波器的研究与开发越来越受到人们的关注。

传统的无线通信系统常常用到介质滤波器和 SAW（Surface AcousticWave，声表面波）滤波器。介质滤波器虽然有较好的性能，但体积大，不便于用到便携式设备中；SAW 滤波器体积小，目前虽得到广泛运用，但仍存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低等缺点；而 FBAR 滤波器既综合了介质陶瓷性能优越和 SAW 体积较小的优势，又克服两者的缺点，其体积小、高 Q 值、工作频率高、功率容量大、损耗低，是替代SAW 滤波器的下一代滤波器，也是被业界认为最有可能实现射频模块全集成化的滤波器。

FBAR 是一种基于体声波（BAW）的谐振技术，它是利用压电薄膜的逆压电效应将电能量（信号）转换成声波，从而形成谐振。

当一直流电场加于材料的两端时，材料的形变会随着电场的大小来改变，而当此电场的方向相反时，材料的形变方向也随之改变。“当有一交流电场加入时，材料的形变方向会随着电场的正及负半周期作收缩或膨胀的交互变化”这种称之为逆压电效应。

与 SAW 不同，这种振动发生于压电材料的体腔内，因此能承受更大的功率。这也是 FBAR 技术优于 SAW 的一个原因。

这样的振动会激励出沿薄膜厚度方向（C 轴）传播的体声波，此声波传至上下电极与空气交界面反射回来，进而在薄膜内部来回反射，形成震荡。当声波在压电薄膜中传播正好是半波长的奇数倍时形成驻波震荡。

目前主流的 FBAR 结构主要有三种：空气隙型、硅反面刻蚀型和固态装配型。

空气隙型 FBAR 是基于 MEMS 的表面微加工技术（ surfacemicromachining），在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气一金属交界面。此方法可以传统的硅艺兼容。

硅反面刻蚀型 FBAR 是基于 MEMS 的体硅（Si）微加工技术（bulkmicromachining），将 Si 片反面刻蚀。在压电震荡堆的下表面形成空气一金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除 Si 衬底，导致机械牢度降低。

固态装配型结构 FBAR 是采用布拉格反射层技术限制声波于压电震荡堆之内。由一层四分之一波长厚度的高声学阻抗材料和一层四分之一波长厚度的低声学阻抗材料交替构成。层数越多则反射系数越大，制得的器件 Q 值也越高，但无论如何其反射效果终不如前两种结构的反射效果好，故基于布拉格反射层的 FBAR 其 Q 值不如前两者高。

理想的空气隙型 FBAR 为三明治结构，即上电极/压电层/下电极，在硅表面和 FBAR 的下电极表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面。实际的空气隙型 FBAR 谐振器包括上电极/压电层/下电极/支撑层，在硅表面和支撑层下表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面，从而在 FBAR 基片上下界面形成空气反射层，在二个空气界面之间形成驻波，将声波能量限制在 FBAR 基片中。

空气隙型 FBAR 器件的制备流程：（1）在准备好的硅片上表面蚀刻一凹槽（空气隙），然后再沉积一层薄的 SiO2 缓冲层，用来保护硅衬底；（2）填充牺牲层，如 Ti，磷石英玻璃 PSG；（3）利用化学机械抛光表面，去掉多余牺牲层；（4）淀积下电极，光刻成所需图形，然后用反应射频磁控溅射淀积高 C 轴取向的压电薄膜 ALN；（5）使用 RIE 刻蚀技术刻蚀压电薄膜，形成将底电极引出的通孔；（6）淀积上电极，光刻形成所需图形；（7）腐蚀去除牺牲层，形成空气隙。

FBAR 技术中最重要的特性是可以支持高挑战性频段分配的陡峭滤波曲线以及卓越的带外抑制能力，上方发射频率和下方接收频率间的间隙非常窄，这个特性对于 4G/LTE 应用而言更为重要，原因是发射和接收频率间的间隙更窄。