射頻前端系統(tǒng)中濾波器的功能

濾波器是射頻前端重要的模塊之一。顧名思義，濾波器的主要功能是“濾波”，即通過(guò)有用信號(hào)，阻擋干擾信息。

圖：射頻前端中的濾波器

在射頻通信系統(tǒng)中，“頻譜”是非常寶貴且擁擠的資源。除了與我們生活息息相關(guān)的5G、4G、Wi-Fi、GPS及藍(lán)牙信號(hào)外，還有通信衛(wèi)星、軍用衛(wèi)星以及氣象監(jiān)測(cè)等信號(hào)。在實(shí)際生活中，無(wú)線信號(hào)無(wú)處不在，所以，就需要射頻“濾波器”將無(wú)用信號(hào)處理干凈。

圖：擁擠的頻譜資源

在射頻前端系統(tǒng)中，濾波器的功能是：

用于發(fā)射時(shí)，濾波器可以將有用信號(hào)從眾多噪聲信號(hào)中過(guò)濾出來(lái)

用于接收時(shí)，濾波器可以將有用信號(hào)之外的干擾信號(hào)過(guò)濾干凈

濾波器在發(fā)射及接收通路的功能如下圖所示。

圖：發(fā)射通路的濾波器特性

圖：接收通路的濾波特性

濾波器的主要衡量指標(biāo)

濾波器的核心功能是通過(guò)特定頻率信號(hào)，抑制帶外信號(hào)，所以濾波器的主要指標(biāo)有：

中心頻率

帶寬

插損

帶外抑制

同時(shí)，放置在發(fā)射通路時(shí)，濾波器還需要考慮功率耐受特性以及溫度特性，于是以下指標(biāo)也是濾波器的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)：

溫度特性

功率耐受

圖：典型的濾波器頻率響應(yīng)示意圖

中心頻率及帶寬

帶通(帶阻)濾波器的中心頻率是指通帶(阻帶)的中心頻率，帶寬是指通帶(阻帶)最高頻率與最低頻率之差。

濾波器作為選頻器件，中心頻率及帶寬是其基本指標(biāo)。濾波器的分類(lèi)通常也是根據(jù)工作頻率而分，如B40、B3、B8、n41、n78濾波器等，就是指工作在相應(yīng)頻段的濾波器。

濾波器的帶寬一般由根據(jù)3GPP的需求而確定。比如，按照3GPP的規(guī)定，B3的發(fā)射頻率在1.71-1.785GHz，接收頻率在1.805-1.880GHz，于是B3的發(fā)射濾波器和接收濾波器就需要分別覆蓋75MHz的帶寬。

插損

濾波器的插損是指濾波器對(duì)有用信號(hào)的衰減程度。

發(fā)射濾波器位于PA輸出端，在PA輸出功率相同的條件下，濾波器的插損越小，整個(gè)模塊的輸出功率就越大;同理，在模塊發(fā)射功率相同的條件下，濾波器的插損越小，也就意味著需要PA輸出的功率越小，PA的功耗就越低，模塊就更省電。

接收濾波器位于LNA之前，其插損直接決定了對(duì)接收鏈路噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)，可以通過(guò)以下噪聲系數(shù)計(jì)算公式看出。插損越大，系統(tǒng)NF越大。

因此，其他條件不變的情況下，減小濾波器插損，可以有效提高系統(tǒng)接收靈敏度。

阻抗及收斂性

阻抗，即濾波器的輸入輸出阻抗，收斂性是指阻抗隨頻率的變化程度。

阻抗及收斂性直接影響濾波器的輸入輸出反射系數(shù)。濾波器的阻抗需要與外部電路匹配，越接近目標(biāo)阻抗，對(duì)有用信號(hào)的反射越小，帶內(nèi)插損就越小;阻抗越收斂，帶內(nèi)波動(dòng)就越小。

圖：反射與阻抗收斂性

此外，濾波器阻抗還會(huì)影響系統(tǒng)其它部分。

如發(fā)射鏈路中，濾波器位于PA輸出端，PA設(shè)計(jì)時(shí)為了達(dá)到最大輸出功率，會(huì)采用LoadPull方法得到最佳輸出阻抗。

當(dāng)濾波器阻抗偏離50Ω時(shí)，會(huì)造成下列問(wèn)題：

濾波器與匹配電路之間，以及濾波器與開(kāi)關(guān)之間反射增加，鏈路插損增加;

PA輸出端的阻抗偏離最佳輸出阻抗，PA最大輸出功率減小。

以上問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致發(fā)射鏈路輸出功率減小，使系統(tǒng)性能下降。

帶外抑制

帶外抑制是指濾波器對(duì)通帶以外的信號(hào)的衰減能力。濾波器進(jìn)行帶外抑制的原因如下：

發(fā)射通路

為了保證手機(jī)等終端能夠正常工作，減小各頻段間的干擾，3GPP對(duì)終端發(fā)射通道的帶外抑制指標(biāo)提出了一系列要求，包括對(duì)諧波、互調(diào)等非線性分量的抑制，以及CA/ENDC場(chǎng)景下多頻段共存的帶外抑制指標(biāo)等(詳見(jiàn)3GPP協(xié)議)。

由于PA本身對(duì)帶外的抑制能力不足，所以需要在輸出端加濾波器使最終的帶外抑制指標(biāo)符合3GPP規(guī)范。

接收通路

射頻系統(tǒng)在接收時(shí)，來(lái)自外界或自身產(chǎn)生的干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致接收端出現(xiàn)desense，即靈敏度惡化。

為了避免或減小desense，就需要濾波器對(duì)那些能夠引入帶內(nèi)噪聲的干擾進(jìn)行抑制，具體要求就反映在帶外抑制的指標(biāo)上。

下表給出了濾波器需要考慮的一系列帶外抑制點(diǎn)，具體抑制度需根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求分析。

表：濾波器帶外抑制指標(biāo)需求

溫漂特性

濾波器的工作頻率會(huì)隨溫度的變化產(chǎn)生漂移，該特性稱(chēng)為溫漂。

溫漂特性會(huì)使濾波器通帶產(chǎn)生偏移，會(huì)影響通帶的插損，尤其是通帶邊緣位置的插損，以及帶外抑制度，如下圖所示。

濾波器溫漂特性示意圖

上圖中，在同樣的spec要求下，圖(a)溫漂較大，通帶和阻帶的一部分在高低溫下已經(jīng)不滿(mǎn)足指標(biāo)的要求。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償處理后，圖(b)溫漂較小，高低溫下均滿(mǎn)足指標(biāo)的要求。在濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡量減小溫漂，適當(dāng)拓寬通帶的范圍，減小過(guò)渡帶范圍，保證偏移后的通帶仍能覆蓋目標(biāo)頻段，帶外抑制仍能滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

衡量濾波器溫漂特性的指標(biāo)是頻率溫度系數(shù)，即TCF，其計(jì)算方法如下：

其中，T0(℃)和T1(℃)分別為兩個(gè)溫度點(diǎn)，

(MHz)表示溫度T0時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，

(MHz)表示溫度為T(mén)1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，二者之差為頻率偏移量。

計(jì)算TCF時(shí)，一般取通帶左右兩邊固定插損(如-20dB或-30dB)的頻率點(diǎn)，計(jì)算其在不同溫度下的偏移量。

對(duì)于SAW濾波器等聲學(xué)濾波器，在不經(jīng)過(guò)溫補(bǔ)處理時(shí)，其溫度系數(shù)一般為負(fù)值，即高溫時(shí)整體頻率向低頻偏移，在使用時(shí)需要加以注意。

功率耐受

功率耐受指標(biāo)表明濾波器對(duì)大功率的承受能力。

Tx濾波器位于PA輸出端，需要承受PA輸出的大功率信號(hào)，因此需要對(duì)Tx濾波器進(jìn)行功率耐受指標(biāo)評(píng)估。

小功率條件下，濾波器輸出功率隨著輸入功率的增加而線性增加，當(dāng)輸入功率到達(dá)功率耐受臨界點(diǎn)時(shí)，濾波器輸出功率達(dá)到最大，進(jìn)一步增加輸入功率，濾波器將發(fā)生暫時(shí)或永久損壞，此時(shí)插損會(huì)大幅增加，輸出功率大幅下降。下圖為不同型號(hào)濾波器的功率耐受測(cè)試曲線。其中三顆濾波器耐受功率在34-34.5dBm。

圖：不同濾波器濾波器功率耐受曲線

在功率耐受測(cè)試中，需要重點(diǎn)關(guān)注的是通帶高端的功率耐受性能。

因?yàn)榇蠊β蕳l件下，濾波器溫度升高，通帶向低頻偏移，造成通帶高端插損變大。插損越大，溫度越高，會(huì)導(dǎo)致通帶進(jìn)一步向低頻偏移，從而使通帶高端插損更大，溫度進(jìn)一步上升。形成正反饋，進(jìn)而導(dǎo)致器件損壞。

5G射頻前端模組中的濾波器

目前5G大規(guī)模商用的主要是5G 6GHz以下頻段。在這部分頻段中，根據(jù)頻率的不同，分為Sub-3GHz與Sub-6GHz兩部分。

Sub-3GHz頻率位于3GHz頻率以下，是原來(lái)4G LTE的頻段的升級(jí)重新使用，所以又叫重耕(Re-farming)頻段。這部分頻段的特點(diǎn)是頻譜眾多、帶寬較窄、較多FDD頻段，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)過(guò)濾才能夠滿(mǎn)足正常通信需求。

5G Sub-6GHz一般指6GHz以下、3GHz以上的新頻段的部分，目前最主要的頻段有n77(包含n78)、n79兩個(gè)頻段，這部分頻段帶寬寬、旁邊基本無(wú)干擾頻段，并且是TDD頻段，不需要考慮發(fā)射及接收之間的干擾，可以減輕對(duì)濾波器帶外抑制的需求。

圖：5G射頻前端的頻率覆蓋，及對(duì)濾波器的特性需求

5G射頻前端模組中用到的濾波器主要分類(lèi)如下：

圖：5G射頻前端模組的濾波器分類(lèi)

LC濾波器是基于電感/電容的頻率響應(yīng)特性來(lái)進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)，壓電濾波器則利用材料的壓電特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。在特性上，二者最大的區(qū)別就是帶外抑制的區(qū)別。壓電濾波器可以做到陡峭的帶外抑制，適合于頻譜擁擠、對(duì)T/Rx抑制有需要的FDD頻段。

典型的LC濾波器與壓電濾波器的頻率響應(yīng)對(duì)比如下圖所示。以TF-SAW濾波器為例，其在±5%的帶寬處即可達(dá)到30dB以上的帶外抑制，而LC濾波器中的LTCC濾波器的帶外滾降要平緩很多。不過(guò)，LC的濾波器可以做到大的通帶帶寬，這一點(diǎn)是壓電濾波器較難做到的。

圖：LTCC與壓電濾波器特性對(duì)比

LC濾波器

LC濾波器是基于電感/電容的頻響來(lái)設(shè)計(jì)的濾波器。常見(jiàn)的電感/電容電路頻率響應(yīng)特性如下圖所示。

圖：典型LC濾波器頻率響應(yīng)

利用多級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)方法，就可以設(shè)計(jì)出給定帶寬、中心頻率以及帶內(nèi)波動(dòng)的濾波器。

在物理實(shí)現(xiàn)上，可以采用分立SMD器件、LTCC以及IPD等工藝實(shí)現(xiàn)。

分立SMD器件濾波器

采用分立SMD器件法是指將目標(biāo)電容值與電感值以分立SMD的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，易于調(diào)試;缺點(diǎn)是所占面積大，寄生效應(yīng)影響明顯。

分立SMD器件的制造工藝一般采用MLCC工藝，即多層陶瓷工藝。是將陶瓷漿粉通過(guò)研磨、涂布、疊層等工藝，在陶瓷襯底上，實(shí)現(xiàn)分立的SMD器件。下圖為MLCC器件制造工藝圖示。

圖：MLCC工藝流程圖示

LTCC濾波器

LTCC工藝的中文名稱(chēng)是低溫共燒陶瓷工藝(Low Temperature Co-fired Ceramic )，也是利用陶瓷燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行多層電路基板設(shè)計(jì)。

與LTCC對(duì)應(yīng)的工藝還有HTCC(高溫共燒陶瓷工藝，High Temperature Co-fired Ceramic)，但因?yàn)長(zhǎng)TCC工藝燒結(jié)溫度低，只有1000度以下，這樣就可以采用導(dǎo)電率高，但熔點(diǎn)較低的金屬如金、銀、銅等金屬作為導(dǎo)體材料，所以LTCC工藝在高頻、高速電路中有廣泛的應(yīng)用。

LTCC工藝相比于MLCC也有很大的相似之處，都是利用陶瓷和導(dǎo)體材料共同燒結(jié)形成的物理器件。但LTCC工藝可以一次性的集成更多的電感、電容器件，所以適合設(shè)計(jì)制造如濾波器、集成基板等較為復(fù)雜的無(wú)源器件。

圖：LTCC工藝流程圖示

正是由于以上特性，LTCC工藝在LC濾波器中也得到了廣泛應(yīng)用。

IPD濾波器

IPD的全稱(chēng)是集成無(wú)源器件(Integrated Passive Devices)。由于名稱(chēng)中有“集成”(Integrated)二字，所以必定和“集成電路”(Integrated Circuits)有很強(qiáng)的聯(lián)系。

完整的集成電路器件既包含有源器件(Ac tive Devices)，也包含無(wú)源器件(Passive Devices)，同樣利用半導(dǎo)體工藝，將其做最大化的簡(jiǎn)化，把有源器件舍棄，只做無(wú)源器件，就形成了IPD(集成無(wú)源器件)。IPD工藝與完整的半導(dǎo)體工藝對(duì)比如下圖所示。

圖：完整半導(dǎo)體工藝和IPD工藝關(guān)系示意

IPD的優(yōu)勢(shì)是可以承接半導(dǎo)體工藝中的優(yōu)勢(shì)，即數(shù)量越大，平均單顆成本越低。但也因?yàn)樾枰捎冒雽?dǎo)體的工藝，在小批量時(shí)，不易獲得成本優(yōu)勢(shì)。

另外，半導(dǎo)體工藝不容易實(shí)現(xiàn)較厚的金屬，一般IPD器件的金屬厚度在um級(jí)別，較薄的金屬層也會(huì)對(duì)其Q值造成限制。

壓電濾波器

壓電濾波器(Piezoelectric Filter)是利用材料的壓電效應(yīng)所設(shè)計(jì)的濾波器。

壓電材料的特性是可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)。射頻中常用的壓電效應(yīng)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)中的彈性波信號(hào)，在機(jī)械信號(hào)中進(jìn)行處理后，再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。由于所使用的彈性波位于聲波頻率范圍內(nèi)，所以這種器件又叫聲波器件(Acoustic Wave Device)。

圖：聲波器件工作原理

在聲波器件中，最為常見(jiàn)的是SAW和BAW兩種器件，兩者全稱(chēng)分別為聲表面波器件，和體聲波器件(Surface Acoustic Wave，Bulk Acoustic Wave)。

從SAW和BAW的名字可以看出，二者都是利用了聲學(xué)特性設(shè)計(jì)的器件，不過(guò)一種是使聲波在表面?zhèn)鬏敚环N是使聲波在“體”內(nèi)傳輸。

下圖分別為SAW和BAW器件的工作原理示意圖。

圖：SAW濾波器工作原理示意圖

圖：BAW濾波器工作原理示意圖

壓電濾波器的優(yōu)勢(shì)是可以利用聲學(xué)器件極高的Q值，設(shè)計(jì)出窄帶高抑制、低插損的濾波器。缺點(diǎn)是必須要用到壓電材料，與集成電路中的半導(dǎo)體工藝不兼容。并且工藝敏感，對(duì)設(shè)計(jì)和制造工藝提出了高的要求。

5G射頻前端模組中不同濾波器的對(duì)比如下圖所示：

圖：5G模組中不同濾波器的對(duì)比

5G射頻模組中的濾波器集成

不管是對(duì)于IPD、LTCC設(shè)計(jì)的LC濾波器，還是對(duì)于SAW、BAW技術(shù)設(shè)計(jì)的壓電濾波器，都與射頻前端中的PA、LNA以及開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中的GaAs、SOI、CMOS等半導(dǎo)體工藝不兼容，在模組設(shè)計(jì)中，采用系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP，System in Package)方式來(lái)集成實(shí)現(xiàn)模組集成。