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”，即通過有用信號，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及藍牙信號外，還有通信衛(wèi)星、軍用衛(wèi)星以及氣象監(jiān)測等信號。在實際生活中，無線信號無處不在，所以，就需要射頻“濾波器”將無用信號處理干凈。

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，濾波器可以將有用信號從眾多噪聲信號中過濾出來

用于接收時，濾波器可以將有用信號之外的干擾信號過濾干凈

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

濾波器的核心功能是通過特定頻率信號，抑制帶外信號，所以濾波器的主要指標有：

中心頻率

帶寬

插損

帶外抑制

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

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。濾波器的分類通常也是根據(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有用信號的衰減程度。

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接收鏈路噪聲系數(shù)的貢獻，可以通過以下噪聲系數(shù)計算公式看出。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，越接近目標阻抗，對有用信號的反射越小，帶內(nèi)插損就越小;阻抗越收斂，帶內(nèi)波動就越小。

圖：反射與阻抗收斂性

此外，濾波器阻抗還會影響系統(tǒng)其它部分。

如發(fā)射鏈路中，濾波器位于PA輸出端，PA設(shè)計時為了達到最大輸出功率，會采用LoadPull方法得到最佳輸出阻抗。

當濾波器阻抗偏離50Ω時，會造成下列問題：

濾波器與匹配電路之間，以及濾波器與開關(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。

以上問題會導致發(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通帶以外的信號的衰減能力。濾波器進行帶外抑制的原因如下：

發(fā)射通路

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

由于PA本身對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符合3GPP規(guī)范。

接收通路

射頻系統(tǒng)在接收時，來自外界或自身產(chǎn)生的干擾信號會導致接收端出現(xiàn)desense，即靈敏度惡化。

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

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

表：濾波器帶外抑制指標需求

溫漂特性

濾波器的工作頻率會隨溫度的變化產(chǎn)生漂移，該特性稱為溫漂。

溫漂特性會使濾波器通帶產(chǎn)生偏移，會影響通帶的插損，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)不滿足指標的要求。經(jīng)過溫度補償處理后，圖(b)溫漂較小，高低溫下均滿足指標的要求。在濾波器設(shè)計時，需要盡量減小溫漂，適當拓寬通帶的范圍，減小過渡帶范圍，保證偏移后的通帶仍能覆蓋目標頻段，帶外抑制仍能滿足指標要求。

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

其中，T0(℃)和T1(℃)分別為兩個溫度點，

(MHz)表示溫度T0時對應(yīng)的頻率，

(MHz)表示溫度為T1時對應(yīng)的頻率，二者之差為頻率偏移量。

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

對于SAW濾波器等聲學濾波器，在不經(jīng)過溫補處理時，其溫度系數(shù)一般為負值，即高溫時整體頻率向低頻偏移，在使用時需要加以注意。

功率耐受

功率耐受指標表明濾波器對大功率的承受能力。

Tx濾波器位于PA輸出端，需要承受PA輸出的大功率信號，因此需要對Tx濾波器進行功率耐受指標評估。

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，當輸入功率到達功率耐受臨界點時，濾波器輸出功率達到最大，進一步增加輸入功率，濾波器將發(fā)生暫時或永久損壞，此時插損會大幅增加，輸出功率大幅下降。下圖為不同型號濾波器的功率耐受測試曲線。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

在功率耐受測試中，需要重點關(guān)注的是通帶高端的功率耐受性能。

因為大功率條件下，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，會導致通帶進一步向低頻偏移，從而使通帶高端插損更大，溫度進一步上升。形成正反饋，進而導致器件損壞。

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4G LTE的頻段的升級重新使用，所以又叫重耕(Re-farming)頻段。這部分頻段的特點是頻譜眾多、帶寬較窄、較多FDD頻段，需要對信號進行精準過濾才能夠滿足正常通信需求。

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)、n79兩個頻段，這部分頻段帶寬寬、旁邊基本無干擾頻段，并且是TDD頻段，不需要考慮發(fā)射及接收之間的干擾，可以減輕對濾波器帶外抑制的需求。

圖：5G射頻前端的頻率覆蓋，及對濾波器的特性需求

5G射頻前端模組中用到的濾波器主要分類如下：

圖：5G射頻前端模組的濾波器分類

LC濾波器是基于電感/電容的頻率響應(yīng)特性來進行濾波器設(shè)計，壓電濾波器則利用材料的壓電特性進行設(shè)計。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)對比如下圖所示。以TF-SAW濾波器為例，其在±5%的帶寬處即可達到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，LC的濾波器可以做到大的通帶帶寬，這一點是壓電濾波器較難做到的。

圖：LTCC與壓電濾波器特性對比

LC濾波器

LC濾波器是基于電感/電容的頻響來設(shè)計的濾波器。常見的電感/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)

利用多級濾波器的設(shè)計方法，就可以設(shè)計出給定帶寬、中心頻率以及帶內(nèi)波動的濾波器。

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

分立SMD器件濾波器

采用分立SMD器件法是指將目標電容值與電感值以分立SMD的方式進行實現(xiàn)。這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點是設(shè)計靈活，易于調(diào)試;缺點是所占面積大，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。是將陶瓷漿粉通過研磨、涂布、疊層等工藝，在陶瓷襯底上，實現(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)進行多層電路基板設(shè)計。

與LTCC對應(yīng)的工藝還有HTCC(高溫共燒陶瓷工藝，High Temperature Co-fired Ceramic)，但因為LTCC工藝燒結(jié)溫度低，只有1000度以下，這樣就可以采用導電率高，但熔點較低的金屬如金、銀、銅等金屬作為導體材料，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)計制造如濾波器、集成基板等較為復雜的無源器件。

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

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

圖：完整半導體工藝和IPD工藝關(guān)系示意

IPD的優(yōu)勢是可以承接半導體工藝中的優(yōu)勢，即數(shù)量越大，平均單顆成本越低。但也因為需要采用半導體的工藝，在小批量時，不易獲得成本優(yōu)勢。

另外，半導體工藝不容易實現(xiàn)較厚的金屬，一般IPD器件的金屬厚度在um級別，較薄的金屬層也會對其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)計的濾波器。

壓電材料的特性是可以將電信號轉(zhuǎn)化為機械信號。射頻中常用的壓電效應(yīng)是將電信號轉(zhuǎn)化為機械信號中的彈性波信號，在機械信號中進行處理后，再轉(zhuǎn)化為電信號輸出。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，最為常見的是SAW和BAW兩種器件，兩者全稱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特性設(shè)計的器件，不過一種是使聲波在表面?zhèn)鬏?，一種是使聲波在“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)勢是可以利用聲學器件極高的Q值，設(shè)計出窄帶高抑制、低插損的濾波器。缺點是必須要用到壓電材料，與集成電路中的半導體工藝不兼容。并且工藝敏感，對設(shè)計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比如下圖所示：

圖：5G模組中不同濾波器的對比

5G射頻模組中的濾波器集成

不管是對于IPD、LTCC設(shè)計的LC濾波器，還是對于SAW、BAW技術(shù)設(shè)計的壓電濾波器，都與射頻前端中的PA、LNA以及開關(guān)設(shè)計中的GaAs、SOI、CMOS等半導體工藝不兼容，在模組設(shè)計中，采用系統(tǒng)級封裝(SiP，System in Package)方式來集成實現(xiàn)模組集成。