作者：Qorvo亞太區(qū)無(wú)線連接事業(yè)部高級(jí)行銷經(jīng)理林健富
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2020年1月，Wi-Fi聯(lián)盟正式宣布開(kāi)放6GHz頻段(5925MHz－7125MHz)，并將其命名為Wi-Fi 6E。2020年4月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)投票通過(guò)將6GHz頻譜劃為免許可頻段供Wi-Fi使用，這標(biāo)志著Wi-Fi正式進(jìn)入“三頻”時(shí)代——除Wi-Fi 6及前代技術(shù)使用的2.4GHz和5GHz頻段外，Wi-Fi 6E也能在6GHz頻段工作。2024年1月，Wi-Fi聯(lián)盟發(fā)布了Wi-Fi CERTIFIED 7認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著Wi-Fi 7正式問(wèn)世。Wi-Fi 7通過(guò)多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新(圖1)顯著提升了Wi-Fi傳輸速度與效率，不僅繼承了Wi-Fi 6E的6GHz頻段，還將其支持的帶寬從Wi-Fi 6E的160MHz擴(kuò)展至320MHz，吞吐量實(shí)現(xiàn)翻倍增長(zhǎng)。
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在Wi-Fi 6E之前，所謂的“三頻”是通過(guò)將5GHz頻段(U-NII1－U-NII3，即5150MHz－5835MHz)劃分為兩個(gè)子頻段實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)子頻段分別是U-NII1–2a(5150MHz－5350MHz)和U-NII 2c–3(5470MHz－5835MHz)，如圖2所示。
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隨著Wi-Fi 6E開(kāi)放6GHz頻譜，Wi-Fi真正邁入三頻時(shí)代。新一代的Wi-Fi 7直接將6GHz頻段納入標(biāo)準(zhǔn)配置，如圖3所示，Wi-Fi 6E/Wi-Fi 7實(shí)現(xiàn)了真正的三頻傳輸，更高的帶寬緩解了頻譜擁擠的問(wèn)題，同時(shí)提升了傳輸吞吐量和網(wǎng)絡(luò)容量。
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三頻、更多的可用帶寬、更高的吞吐量……這一切都貌似很美好，但也同時(shí)衍生了另一個(gè)無(wú)線通信過(guò)程中最棘手的問(wèn)題：干擾。多個(gè)頻段的無(wú)線信號(hào)在同一空間共存，就像在嘈雜市場(chǎng)中對(duì)話，各種遠(yuǎn)近、強(qiáng)弱的聲音彼此干擾，不僅降低溝通效率，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致信息出錯(cuò)或通信中斷。因此，RF濾波器在三頻的Wi-Fi設(shè)備中扮演著關(guān)鍵角色。RF濾波器最主要的功能就是過(guò)濾掉不需要的信號(hào)，進(jìn)而降低或減輕來(lái)自其他射頻設(shè)備的信號(hào)干擾。同時(shí)，濾波器還在擴(kuò)大覆蓋范圍、增強(qiáng)頻率性能與提高網(wǎng)絡(luò)容量方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。此外，濾波器還解決了射頻工程師在開(kāi)發(fā)適用于擁擠RF環(huán)境——如企業(yè)級(jí)接入點(diǎn)(EAP)或多模接入點(diǎn)(集成5G、4G LTE、Wi-Fi、BLE、Matter、UWB、NFC)——的Wi-Fi路由器時(shí)面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
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濾波器的分類：
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如果按照功能進(jìn)行分類，可以將濾波器分為四個(gè)種類，如圖4所示：
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·?低通濾波器：只讓低頻部分信號(hào)通過(guò)，過(guò)濾掉高頻信號(hào)。
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·?高通濾波器：只讓高頻部分信號(hào)通過(guò)，過(guò)濾掉低頻信號(hào)。
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·?帶通濾波器：只讓某指定范圍頻率的信號(hào)通過(guò)，過(guò)濾掉其他頻率的信號(hào)。
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·?帶阻濾波器：過(guò)濾掉某指定范圍頻率的信號(hào)，讓其他頻率的信號(hào)通過(guò)。
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如果以濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行分類，可大致分為以下五種：
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·?介質(zhì)諧振器(DR)濾波器：其原理是通過(guò)電磁波在介質(zhì)材料內(nèi)部反復(fù)地全反射而形成一個(gè)微波諧振器，以達(dá)成濾波的目的。一般使用高介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)濾波器的主要原料來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化的目的。
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·?低溫共燒陶瓷(LTCC)：LTCC是一種用于制作多層陶瓷基板的技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠在900°C以下的溫度下將陶瓷材料燒結(jié)成基板。這種技術(shù)允許使用高導(dǎo)電、低熔點(diǎn)的金屬材料(如金、銀、銅等)作為內(nèi)部導(dǎo)體。陶瓷基板主要用于承載各種有源和無(wú)源元器件，例如電阻、電容和IC，并通過(guò)封裝工藝制成集成元器件。由于陶瓷材料具有低介電常數(shù)、高頻特性和低損耗性能，LTCC技術(shù)非常適合應(yīng)用于微波射頻濾波器。
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·?表面聲波(SAW)濾波器：SAW濾波器是一種成熟且被廣泛運(yùn)用的濾波器技術(shù)。其主要原理是利用石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇晶體等材料的壓電效應(yīng)，即在輸入電信號(hào)作用下，通過(guò)叉指式換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波，也就是聲波。經(jīng)過(guò)處理后，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以達(dá)到過(guò)濾掉不必要信號(hào)及噪聲的目的。簡(jiǎn)單地理解，表面聲波是指沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，且能量集中于表面。在表面聲波傳播途中，可任意存取信?hào)。根據(jù)這種特性，即可利用集成電路技術(shù)制作出表面聲波濾波器。
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·?薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器：FBAR濾波器是一種由壓電材料構(gòu)成的器件。該壓電材料在兩個(gè)導(dǎo)電(通常是金屬)電極之間通過(guò)薄膜形成一個(gè)腔體，再基于電極之間的壓電層的壓電性形成諧振器，以達(dá)成濾波的目的。FBAR諧振器屬于體聲波諧振器(BAW)和壓電諧振器的類別，用于需要高頻率、小尺寸和小重量的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
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·?BAW濾波器：BAW濾波器最基本的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)金屬電極夾著一層壓電薄膜，讓聲波在壓電薄膜內(nèi)部振蕩形成駐波。與SAW不同的是，SAW是聲波在表面上傳播，而B(niǎo)AW則是聲波在腔體內(nèi)垂直傳播(如圖5所示)。與FBAR不同的是，BAW利用布拉格反射器疊層使聲波信號(hào)保持在疊層的內(nèi)層，并與原來(lái)的波疊加后反射到壓電層中，這種結(jié)構(gòu)稱為BAW–SMR(固態(tài)裝配諧振器)，而FBAR則是利用一個(gè)空氣腔來(lái)做聲波的反射振蕩。圖6說(shuō)明了BAW-SMR與FBAR的結(jié)構(gòu)差別。
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圖7為典型的濾波器工作響應(yīng)。濾波器的關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系到無(wú)線射頻系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量與效率，表1列出了濾波器的關(guān)鍵參數(shù)以及選擇一個(gè)好濾波器的標(biāo)準(zhǔn)。
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參數(shù)	說(shuō)明	單位	指標(biāo)
插入損耗	濾波器本身對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)造成的損耗	dB	越低越好
衰減	濾波器讓干擾信號(hào)衰減的能力	dB	越高越好
Q值 （品質(zhì)因數(shù)）	Q值的定義為信號(hào)中心頻率除以濾波器的帶寬。Q值越高，濾波器的頻率選擇性越好，能讓濾波器能更精準(zhǔn)地提取或抑制特定頻率的信號(hào)。Q值越高，濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)越小，通常也對(duì)應(yīng)更低的插入損耗。	-	越高越好
H2/H3 抑制	濾波器對(duì)于二次諧波和三次諧波信號(hào)的抑制能力	dB	越高越好
頻率溫度系數(shù) TCF	濾波器受溫度變化所引起的頻偏影響	ppm/oC	越低越好

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Qorvo作為全球領(lǐng)先的連接和電源解決方案供應(yīng)商，專注于BAW濾波器的研究開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)超過(guò)20年。Qorvo有多項(xiàng)與BAW濾波器相關(guān)的專利與版權(quán)，每年投入大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)與設(shè)備，同時(shí)擁有自己的晶圓廠與封裝測(cè)試廠，可實(shí)現(xiàn)從開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、封裝、測(cè)試、出貨一站式的服務(wù)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與確保供貨的交付。
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Qorvo憑借20年的技術(shù)積累，在市場(chǎng)上獲得了客戶的肯定與支持。隨著現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及越來(lái)越多新頻段、新調(diào)制方式和新法規(guī)的引入，無(wú)線通信系統(tǒng)日益復(fù)雜，因此需要更高質(zhì)量、更小尺寸的濾波器來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并提升通信效率與穩(wěn)定性。
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目前Qorvo的BAW濾波器工藝已處于第六代水平，簡(jiǎn)稱BAW 6，完全是由Qorvo獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)與量產(chǎn)制造。目前針對(duì)Wi-Fi 6E與Wi-Fi 7路由器所設(shè)計(jì)的濾波器都是以BAW 6工藝為主。越高端的BAW工藝具有越好的邊帶(edge band)抑制能力，支持更寬頻段的濾波性能、更低的插入損耗，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更小的裸片尺寸。圖9展示了Qorvo BAW技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程，以及不同工藝對(duì)濾波器插入損耗和裸片尺寸的影響。
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圖10顯示了基于相同U-NII 2c-3 (5470MHz－5835MHz)濾波器設(shè)計(jì)，但在使用BAW 6與BAW 7工藝時(shí)所表現(xiàn)出的差異。在尺寸方面，BAW 7的裸片面積相比BAW 6縮小了45%，使得在相同尺寸的晶圓上可切割的濾波器裸片數(shù)量增加約45%，從而有助于降低成本。從濾波器能效的部分來(lái)看，根據(jù)實(shí)際的晶圓上測(cè)量結(jié)果，BAW 7的插入損耗可降低0.8dB－0.9dB，表現(xiàn)出類似的帶外抑制能力及支持更寬的通道帶寬。
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呼應(yīng)之前文章所提到的內(nèi)容，隨著RF頻譜的日益擁擠以及基于Wi-Fi 6E、Wi-Fi 7技術(shù)規(guī)范的高性能Wi-Fi無(wú)線路由器需求的增長(zhǎng)，濾波器在三頻的Wi-Fi設(shè)備中扮演的角色愈發(fā)重要。優(yōu)質(zhì)濾波器在屏蔽外部干擾和自身產(chǎn)生的干擾方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，不僅能確保Wi-Fi信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還能使射頻前端模塊(FEM)及放大器達(dá)到最佳性能。通過(guò)采用Qorvo提供的高質(zhì)量BAW濾波器，Wi-Fi路由器可以實(shí)現(xiàn)更佳的性能，即使在復(fù)雜的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與應(yīng)用場(chǎng)景下，也能讓使用者獲得更好的使用體驗(yàn)。