射频滤波器如何正确选取,看完全懂了

射频滤波器如何正确选取，看完全懂了

随着移动设备功能越来越强大，支持的网络频段越来越多，射频前端模块成了移动设备中不可缺少的一部分。举例来说，一款较新的手机至少需要支持2G，3G，4G以及WiFi，GPS等网络制式，而每一个制式都需要自己的射频前端模块。射频前端模块一般包括天线开关，多路器，滤波器，功率放大器与低噪声放大器等等。这些器件目前仍无法用集成度最高的CMOS工艺制造，而必须使用特殊工艺以保证性能。

根据Mobile Expert LLC的研究报告，2016年在智能手机增长萎靡（9%）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，未来发展最快的，也最关键的模块就是射频滤波器模块。

滤波器到底有多重要

随着无线通讯应用的发展，人们对于数据传输速度的要求也越来越高。在2G时代，只有一小部分人会使用手机上网下载铃声或浏览wap版网页，需要的数据率大约在1KB／s。在3G时代，随着智能手机的普及，使用运营商网络上

网收发邮件，使用各种app等使得网络流量剧增，需要的数据率大约是50KB／s。到了4G时代的今天，直播等应用更是将手机通讯的带宽需求推向了一个新的高度，需要的数据率达到了1MB／s。

与数据率上升相对应的是频谱资源的高利用率以及通讯协议的复杂化。这两个问题是相辅相成：由于频谱资源有限，为了满足人们对数据率的需求，必须充分利用频谱，因此一部手机必须能够覆盖很宽的频带范围，这样在人群拥挤的情况下不同人的设备才能够分配到足够的频谱带宽。同时，为了满足数据率的需求，从4G开始还使用了载波聚合技术，使得一台设备可以同时利用不同的载波频谱传输数据。

另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，因此对于射频系统的各种性能也提出了严格的需求。

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愈有挑战性。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。目前，一款4G手机中的需要用到的滤波器数量可达30余个。

随着射频滤波器变得越来越重要，各大射频前端厂商也在积极布局滤波器市场。各大行业研究结构也看好射频滤波器市场未来的发展。Technavio在研究报告中指出，射频滤波器市场2016-2020的年复合增长率可达15%，并且已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。滤波器技术简介

射频滤波器最主要的指标包括品质因数Q和插入损耗。在目前的通讯协议中，不同频带间的频率差越来越小，因此需要非常好选择性，让通带内的信号通过并阻挡通带外的信号。Q越大，则滤波器可以实现越窄的通带带宽，也就是说可以实现较好的选择性。

除了品质因数Q之外，插入损耗也是重要参数。插入损耗是指通带信号被滤波器的衰减，即信号功率损耗。插入损耗有1dB，则信号功率被衰减20%；当插入损耗到达3dB 时，则信号功率被衰减了50%！在4G时代，信号功率放大

并不简单，如果又有许多功率被浪费在滤波器上，则PA／LNA设计就更难了。

目前射频滤波器最主流的实现方式是SAW和BAW。SAW 是声表面滤波器，利用压电效应。当对晶体施以电压，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时，机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷，使电流流过端子和/或形成端子间的电压。在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声表面波滤波器内，声波在表面传播并形成驻波，其品质因数可达数千。

然而，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。

BAW滤波器不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播，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。

在>2.5GHz的频段，BAW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。

为了把声波的能量局限在滤波器体内，可以使用BAW-SMR 技术或FBAR技术。BAW-SMR技术通过堆叠不同材质的薄层形成一个反射器，而FBAR技术则在有冤屈下方蚀刻出空腔以实现悬浮膜。BAW滤波器

BAW滤波器在高频段可实现低插入损耗和高Q值，成为高性能射频系统的首选。然而，BAW滤波器的成本目前还很高，这成为了限制BAW普及的重要因素。如何选取合适射频滤波器

在当今无线领域，激烈的扩展带宽的竞争迫使人们要更加关注滤波器的性能。如果对滤波器参数确定不准确，最终会导致频率冲突，反过来使设计组又得处理串扰、掉线、数据丢失以及网络连接中断的问题。

滤波器定义不完整或不准确这一问题产生的部分原因是目前电子市场对数字电子很热衷。根据某些统计，80%～90%的新电子设计工程师都是软件和数字方面的。知识缺口就在于此，因为不管传输的信息是否是数字形式，当信息通过无线电或微波传输时，载波信号总是遵守电磁学物理定

律。

所幸的是，对滤波器性能参数的某些重要基础进行快速重温，可帮助工程师正确找出满足特定应用的滤波器。开始时如果选择正确，则能节省时间和金钱，在订购这些必不可少的元件时就能确保价廉物美。

1.了解基本响应曲线

滤波器的基本响应曲线包括：带通、低通、高通、带阻、双工器，如图1A-1F所示。每一个特定形状都决定了哪些频率可以通过，哪些不能通过。

无疑，这一组中最常见的是带通滤波器。所有工程师都知道，带通滤波器允许两个特定频率之间的信号通过，对其它频率的信号进行抑制。例如声表面波滤波器（SAW）、晶体滤波器、陶瓷和腔体滤波器。作为参考，Anatech Electronics公司制造的腔体带通滤波器的频率覆盖范围为15 MHz～20 GHz，带宽在1%～100%范围。所有制造商都采用了用滤波器中心频率两边0.5 dB、1 dB或3 dB衰减点定义通频带的方法。

2．不要追求不切实际的滤波器特性