一文了解5G射频前端模组中的滤波器

随着射频技术的发展，射频电路中的很多模块也被发掘出更多的作用。要发掘这些模块“潜力”的话，就必须要更加深入了解这个模块，滤波器就是这样一个可以被发觉的模块，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

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

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：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。