5G射频前端模组中的滤波器

滤波器是射频前端重要的模块之一。顾名思义，滤波器的主要功能是“滤波”，即通过有用信号，阻挡干扰信息。

图：射频前端中的滤波器

在射频通信系统中，“频谱”是非常宝贵且拥挤的资源。除了与我们生活息息相关的5G、4G、Wi-Fi、GPS及蓝牙信号外，还有通信卫星、军用卫星以及气象监测等信号。在实际生活中，无线信号无处不在，所以，就需要射频“滤波器”将无用信号处理干净。

图：拥挤的频谱资源

在射频前端系统中，滤波器的功能是：

· 用于发射时，滤波器可以将有用信号从众多噪声信号中过滤出来

· 用于接收时，滤波器可以将有用信号之外的干扰信号过滤干净

滤波器在发射及接收通路的功能如下图所示。

图：发射通路的滤波器特性

图：接收通路的滤波特性

滤波器的主要衡量指标  

滤波器的核心功能是通过特定频率信号，抑制带外信号，所以滤波器的主要指标有：

· 中心频率

· 带宽

· 插损

· 带外抑制

同时，放置在发射通路时，滤波器还需要考虑功率耐受特性以及温度特性，于是以下指标也是滤波器的主要评价指标：

· 温度特性

· 功率耐受

图：典型的滤波器频率响应示意图

中心频率及带宽

带通(带阻)滤波器的中心频率是指通带(阻带)的中心频率，带宽是指通带(阻带)最高频率与最低频率之差。

滤波器作为选频器件，中心频率及带宽是其基本指标。滤波器的分类通常也是根据工作频率而分，如B40、B3、B8、n41、n78滤波器等，就是指工作在相应频段的滤波器。

滤波器的带宽一般由根据3GPP的需求而确定。比如，按照3GPP的规定，B3的发射频率在1.71-1.785GHz，接收频率在1.805-1.880GHz，于是B3的发射滤波器和接收滤波器就需要分别覆盖75MHz的带宽。

插损

滤波器的插损是指滤波器对有用信号的衰减程度。

发射滤波器位于PA输出端，在PA输出功率相同的条件下，滤波器的插损越小，整个模块的输出功率就越大；同理，在模块发射功率相同的条件下，滤波器的插损越小，也就意味着需要PA输出的功率越小，PA的功耗就越低，模块就更省电。

接收滤波器位于LNA之前，其插损直接决定了对接收链路噪声系数的贡献，可以通过以下噪声系数计算公式看出。插损越大，系统NF越大。

因此，其他条件不变的情况下，减小滤波器插损，可以有效提高系统接收灵敏度。

阻抗及收敛性

阻抗，即滤波器的输入输出阻抗，收敛性是指阻抗随频率的变化程度。

阻抗及收敛性直接影响滤波器的输入输出反射系数。滤波器的阻抗需要与外部电路匹配，越接近目标阻抗，对有用信号的反射越小，带内插损就越小；阻抗越收敛，带内波动就越小。

图：反射与阻抗收敛性

此外，滤波器阻抗还会影响系统其它部分。

如发射链路中，滤波器位于PA输出端，PA设计时为了达到最大输出功率，会采用LoadPull方法得到最佳输出阻抗。

当滤波器阻抗偏离50Ω时，会造成下列问题：

· 滤波器与匹配电路之间，以及滤波器与开关之间反射增加，链路插损增加；

· PA输出端的阻抗偏离最佳输出阻抗，PA最大输出功率减小。

以上问题会导致发射链路输出功率减小，使系统性能下降。

带外抑制

带外抑制是指滤波器对通带以外的信号的衰减能力。滤波器进行带外抑制的原因如下：

发射通路

为了保证手机等终端能够正常工作，减小各频段间的干扰，3GPP对终端发射通道的带外抑制指标提出了一系列要求，包括对谐波、互调等非线性分量的抑制，以及CA/ENDC场景下多频段共存的带外抑制指标等(详见3GPP协议)。

由于PA本身对带外的抑制能力不足，所以需要在输出端加滤波器使最终的带外抑制指标符合3GPP规范。

接收通路

射频系统在接收时，来自外界或自身产生的干扰信号会导致接收端出现desense，即灵敏度恶化。

为了避免或减小desense，就需要滤波器对那些能够引入带内噪声的干扰进行抑制，具体要求就反映在带外抑制的指标上。

下表给出了滤波器需要考虑的一系列带外抑制点，具体抑制度需根据系统指标要求分析。

表：滤波器带外抑制指标需求

温漂特性

滤波器的工作频率会随温度的变化产生漂移，该特性称为温漂。

温漂特性会使滤波器通带产生偏移，会影响通带的插损，尤其是通带边缘位置的插损，以及带外抑制度，如下图所示。

滤波器温漂特性示意图

上图中，在同样的spec要求下，图(a)温漂较大，通带和阻带的一部分在高低温下已经不满足指标的要求。经过温度补偿处理后，图(b)温漂较小，高低温下均满足指标的要求。在滤波器设计时，需要尽量减小温漂，适当拓宽通带的范围，减小过渡带范围，保证偏移后的通带仍能覆盖目标频段，带外抑制仍能满足指标要求。

衡量滤波器温漂特性的指标是频率温度系数，即TCF，其计算方法如下：

其中，T0(℃)和T1(℃)分别为两个温度点，图片(MHz)表示温度T0时对应的频率，图片(MHz)表示温度为T1时对应的频率，二者之差为频率偏移量。

计算TCF时，一般取通带左右两边固定插损(如-20dB或-30dB)的频率点，计算其在不同温度下的偏移量。

对于SAW滤波器等声学滤波器，在不经过温补处理时，其温度系数一般为负值，即高温时整体频率向低频偏移，在使用时需要加以注意。

功率耐受

功率耐受指标表明滤波器对大功率的承受能力。

Tx滤波器位于PA输出端，需要承受PA输出的大功率信号，因此需要对Tx滤波器进行功率耐受指标评估。

小功率条件下，滤波器输出功率随着输入功率的增加而线性增加，当输入功率到达功率耐受临界点时，滤波器输出功率达到最大，进一步增加输入功率，滤波器将发生暂时或永久损坏，此时插损会大幅增加，输出功率大幅下降。下图为不同型号滤波器的功率耐受测试曲线。其中三颗滤波器耐受功率在34-34.5dBm。

图：不同滤波器滤波器功率耐受曲线

在功率耐受测试中，需要重点关注的是通带高端的功率耐受性能。

因为大功率条件下，滤波器温度升高，通带向低频偏移，造成通带高端插损变大。插损越大，温度越高，会导致通带进一步向低频偏移，从而使通带高端插损更大，温度进一步上升。形成正反馈，进而导致器件损坏。

5G射频前端模组中的滤波器 

目前5G大规模商用 的主要是5G 6GHz以下频段。在这部分频段中，根据频率的不同，分为Sub-3GHz与Sub-6GHz两部分。

Sub-3GHz频率位于3GHz频率以下，是原来4G LTE的频段的升级重新使用，所以又叫重耕（Re-farming）频段。这部分频段的特点是频谱众多、带宽较窄、较多FDD频段，需要对信号进行精准过滤才能够满足正常通信需求。

5G Sub-6GHz一般指6GHz以下、3GHz以上的新频段的部分，目前最主要的频段有n77（包含n78）、n79两个频段，这部分频段带宽宽、旁边基本无干扰频段，并且是TDD频段，不需要考虑发射及接收之间的干扰，可以减轻对滤波器带外抑制的需求。

图：5G射频前端的频率覆盖，及对滤波器的特性需求

5G射频前端模组中用到的滤波器主要分类如下：

图：5G射频前端模组的滤波器分类

LC滤波器是基于电感/电容的频率响应特性来进行滤波器设计，压电滤波器则利用材料的压电特性进行设计。在特性上，二者最大的区别就是带外抑制的区别。压电滤波器可以做到陡峭的带外抑制，适合于频谱拥挤、对T/Rx抑制有需要的FDD频段。

典型的LC滤波器与压电滤波器的频率响应对比如下图所示。以TF-SAW滤波器为例，其在±5%的带宽处即可达到30dB以上的带外抑制，而LC滤波器中的LTCC滤波器的带外滚降要平缓很多。不过，LC的滤波器可以做到大的通带带宽，这一点是压电滤波器较难做到的。

图：LTCC与压电滤波器特性对比

LC滤波器

LC滤波器是基于电感/电容的频响来设计的滤波器。常见的电感/电容电路频率响应特性如下图所示。

图：典型LC滤波器频率响应

利用多级滤波器的设计方法，就可以设计出给定带宽、中心频率以及带内波动的滤波器。

在物理实现上，可以采用分立SMD器件、LTCC以及IPD等工艺实现。

分立SMD器件滤波器

采用分立SMD器件法是指将目标电容值与电感值以分立SMD的方式进行实现。这种实现方式的优点是设计灵活，易于调试；缺点是所占面积大，寄生效应影响明显。

分立SMD器件的制造工艺一般采用MLCC工艺，即多层陶瓷工艺。是将陶瓷浆粉通过研磨、涂布、叠层等工艺，在陶瓷衬底上，实现分立的SMD器件。下图为MLCC器件制造工艺图示。

图：MLCC工艺流程图示

LTCC滤波器

LTCC工艺的中文名称是低温共烧陶瓷工艺（Low Temperature Co-fired Ceramic ），也是利用陶瓷烧结技术进行多层电路基板设计。

与LTCC对应的工艺还有HTCC（高温共烧陶瓷工艺，High Temperature Co-fired Ceramic），但因为LTCC工艺烧结温度低，只有1000度以下，这样就可以采用导电率高，但熔点较低的金属如金、银、铜等金属作为导体材料，所以LTCC工艺在高频、高速电路中有广泛的应用。

LTCC工艺相比于MLCC也有很大的相似之处，都是利用陶瓷和导体材料共同烧结形成的物理器件。但LTCC工艺可以一次性的集成更多的电感、电容器件，所以适合设计制造如滤波器、集成基板等较为复杂的无源器件。

图：LTCC工艺流程图示

正是由于以上特性，LTCC工艺在LC滤波器中也得到了广泛应用。

IPD滤波器

IPD的全称是集成无源器件（Integrated Passive Devices）。由于名称中有“集成”（Integrated）二字，所以必定和“集成电路”（Integrated Circuits）有很强的联系。

完整的集成电路器件既包含有源器件（Active Devices），也包含无源器件（Passive Devices），同样利用半导体工艺，将其做最大化的简化，把有源器件舍弃，只做无源器件，就形成了IPD（集成无源器件）。IPD工艺与完整的半导体工艺对比如下图所示。

图：完整半导体工艺和IPD工艺关系示意

IPD的优势是可以承接半导体工艺中的优势，即数量越大，平均单颗成本越低。但也因为需要采用半导体的工艺，在小批量时，不易获得成本优势。

另外，半导体工艺不容易实现较厚的金属，一般IPD器件的金属厚度在um级别，较薄的金属层也会对其Q值造成限制。

压电滤波器

压电滤波器（Piezoelectric Filter）是利用材料的压电效应所设计的滤波器。

压电材料的特性是可以将电信号转化为机械信号。射频中常用的压电效应是将电信号转化为机械信号中的弹性波信号，在机械信号中进行处理后，再转化为电信号输出。由于所使用的弹性波位于声波频率范围内，所以这种器件又叫声波器件（Acoustic Wave Device）。

图：声波器件工作原理

在声波器件中，最为常见的是SAW和BAW两种器件，两者全称分别为声表面波器件，和体声波器件（Surface Acoustic Wave，Bulk Acoustic Wave）。

从SAW和BAW的名字可以看出，二者都是利用了声学特性设计的器件，不过一种是使声波在表面传输，一种是使声波在“体”内传输。

下图分别为SAW和BAW器件的工作原理示意图。

图：SAW滤波器工作原理示意图

图：BAW滤波器工作原理示意图

压电滤波器的优势是可以利用声学器件极高的Q值，设计出窄带高抑制、低插损的滤波器。缺点是必须要用到压电材料，与集成电路中的半导体工艺不兼容。并且工艺敏感，对设计和制造工艺提出了高的要求。

5G射频前端模组中不同滤波器的对比如下图所示：

图：5G模组中不同滤波器的对比

5G射频模组中的滤波器集成

不管是对于IPD、LTCC设计的LC滤波器，还是对于SAW、BAW技术设计的压电滤波器，都与射频前端中的PA、LNA以及开关设计中的GaAs、SOI、CMOS等半导体工艺不兼容，在模组设计中，采用系统级封装（SiP，System in Package）方式来集成实现模组集成。

图：5G射频前端模组的工艺实现

在5G集成模组中，除了对上述滤波器的主要衡量指标有要求外，还对滤波器尺寸、二次封装能力等提出了更高要求。由于封装进模组之后无法进行二次调试和替换，5G集成模组中滤波器还要求有高的一致性和可靠性。

总结

滤波器是射频前端中的重要器件，负责完成信号的“滤波”功能。在滤波器评估中，频率和带宽、插损、抑制、温度特性和功率特性是重要的评价指标。

5G移动终端中常用的滤波器有LC滤波器和压电滤波器，分别在宽带、对抑制要求不高的场景，以及窄带、对抑制有高要求的场景中使用。

在5G高集成模组化演进中，滤波器也被不断集成进射频前端模组中来。在集成过程中，除了考虑常规滤波器指标外，还需要考虑滤波器的尺寸、二次封装能力、可靠性等指标。

在滤波器使用中，您觉得还有哪些需要注意的技术要点？欢迎留言讨论。

参考文献：

[1]. https://www.murata.com/

[2]. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MLCC-Manufacturing-Process.png

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[7]. https://ewh.ieee.org/r5/denver/sscs/2005_03_Ruby.html

[8]. https://www.reverse-costing.com/teardown-notes/qualcomm-ultrasaw-technology-soitec-poi-substrate-/