为何需要RF滤波器？哪些应用需要RF滤波器？

*本篇文章首发于Mouser Electronics网站，作者为Jean-Jacques（JJ）DeLisle

为何需要RF滤波器？

射频（RF）滤波器是所有RF/微波系统的基础元件，特别是具备多个信道或频段的无线通信系统。RF滤波器的主要功能是衰减某些不需要频段中的信号，而只对所需频段中的信号产生最小的影响。

RF滤波器至关重要；因为在许多情况下，不良信号（称为干扰）会导致系统功能下降甚至损坏。在无线通信系统中，接收器输入端使用各类RF滤波器来衰减所需频段之外的信号。RF滤波器还用于减少来自发射器电路的谐波、杂散内容和带外泄漏。在智能手机等现代电子产品的许多应用场景下，这些设备均配备数种无线通信技术；如果不使用RF滤波器进行适当隔离，这些技术间可能会产生相互干扰——即所谓的共存设计挑战（图1）。

图1：5G智能手机示例图

哪些应用需要RF滤波器？

由于大多数现代通信技术的紧凑设计限制了物理隔离，工程人员采用RF滤波器来增强所需的隔离效果，并确保这些产品符合必要的标准。这些标准可以是国家和国际监管机构制定的规范，例如美国联邦通信委员会（FCC）和全球电子通信委员会（ECC），以及Wi-Fi、4G/5G、蓝牙和Zigbee等无线标准。许多现代电子产品还部署了要求额外滤波的特定功能，如全球定位系统（GPS）和其它地理定位技术，以及近场通信（NFC）技术。

考虑到现代无线通信系统尺寸极其紧凑的特点，也因此需要高度紧凑的滤波器；即便如此，这些滤波器仍要求较高的Q因数（品质因数），并可以很容易地集成至滤波器组，来用于多频段滤波应用。在许多情况下，每个频段都需要不同的RF滤波器，以尽量减少串扰并减轻非线性。为满足这一需求，工程师们经常使用声波滤波器（AWF）。

本质上，AWF由压电基板上的电声换能器构成，可以将电能转化为声能/机械能，反之亦然。基于这种方式，AWF将高频信号转换为声波信号，然后通过声学谐振器和滤波技术进行调节，最终转换回高频信号。与其它电磁滤波器技术相比，其优势在于声波现象比电磁滤波现象大约小五个数量级。实际上，这些因素导致声学滤波器在类似的性能下可以比传统电磁滤波器小一个数量级。

AWF包含两种主要类型——体声波（BAW）和表面声波（SAW）滤波器——其使用叉指式换能器转换电和声学信号。BAW滤波器引导信号能量通过基板的主体，而SAW滤波器引导信号能量沿基板表面传递。虽然这种区别起初看起来很简单，但现实中，不同的方法会导致性能和频率能力的显着差异。

由于制造过程主要包括表面结构的开发，SAW滤波器的设计和制造通常不那么复杂。相反，BAW滤波器则需要精确控制基板厚度与分层结构，例如在堆叠中精确间隔的声反射器。

然而，由于表面电声转导的物理限制，与BAW滤波器相关的相对尺寸和物理特性允许它们能够被设计成比SAW技术更高的频率操作和更高的Q因数。此外，BAW滤波器可以利用与标准IC加工系统兼容的技术制造，并且通常表现出更高的功率处理能力。尽管有些SAW滤波器技术结合了温度补偿设计功能，或以其它方式制造，以尽量减少温度敏感性，但BAW滤波器的温度漂移仍比SAW滤波器低。

一般来说，SAW滤波器可以在实际中制造用于2000MHz或2500MHz的频率；相比之下，BAW滤波器可达到10GHz甚至更高。因此，SAW和BAW技术在100MHz和大约2500MHz的频率范围内存在直接竞争。

工程师何时会使用BAW与SAW？

在为特定应用选择滤波器时，必须了解滤波器应用的要求并解读滤波器的电气规格。每个滤波器应用都会对中心频率、带宽、所需信号电平和抑制要求等提出需求。系统工程师通常会列出这些系统要求；工程人员在选择滤波器时，要确保滤波器在保持预算的前提下满足这些要求，并制定一个将滤波器纳入系统设计中的计划。对于现代无线设备，通常涉及到设计由许多滤波器组成的滤波器组，以满足严格的要求和符合无线与监管机构的标准。

以下为RF滤波器设计的关键电气规格：

滤波器类型（低通、高通、带通、陷波/通抑制）

通带频率（Hz）

抑制频率（Hz）

抑制或带外抑制（dB）

衰减（dB）

插入损耗（dB）

隔离度（dB）

选择性（dB）

Q因数

纹波（dB）

输入功率处理（dB）

输入和输出阻抗匹配（欧姆）

大多数无线通信标准强调带通滤波器与其它几个带通滤波器串联使用，以实现多频段滤波。这已成为SAW和BAW滤波器一个应用广泛的典型场景；因为与其它滤波器技术相比，其紧凑的尺寸允许相对较小的滤波器组。这些带通滤波器的作用是减少接收器所接触到的带外信号内容。这是一个重要的功能，因为带外频率内容会形成具有较低信噪比（SNR）或较高误码率（BER）的脱敏接收器。此外，滤波器常用在发射器输出端，以减少由相对较高功率的发射器设备产生的非线性结果，如谐波和尖峰。滤波器的这一辅助应用增强了邻道泄漏比（ACLR）和邻道功率比（ACPR）。此外，通过此种滤波器使用方式，原本无法通过无线标准测试的无线发射器可能会通过测试，而无需大量的重新设计工作。

还有一些情况是，一部已被设计和部署的无线通信系统在早期评估中并未被发现实地运行时会面临的挑战。在这种情况下，如果能够通过更严格的滤波来解决，则可以利用增强的滤波器来升级无线电，以缓解这些问题。例如，如果无线电在关键工作频段附近遇到干扰，那么具备更高Q因数和更佳的带外抑制能力的滤波器将带来比现有滤波器更好的操作。

一般来说，SAW滤波器比BAW滤波器便宜，而且市场上存在大量的SAW滤波器可供选择。SAW滤波器一般不提供超过250MHz的工作频率。然而，如果设计中需要最强的性能或更高的工作频率（例如，在3G、4G、Wi-Fi 6E和sub-6GHz 5G的更高频率），那么BAW滤波器是更好的选择（图2）。BAW滤波器的设计通常是为了获得相比SAW滤波器更高的频率操作和更优秀的通带衰减、带外抑制、功率处理，以及Q因数。

图2：BAW与SAW多路复用器滤波器的比较

是否有针对特定应用的专用滤波器？

SAW和BAW滤波器必须精确设计以实现所需的操作。针对某个特定应用，可以定制SAW和BAW滤波器并量产。幸运的是，BAW和SAW滤波器制造商非常倾向于设计并量产满足Wi-Fi和4G LTE/5G等各类市场和应用需要的专用SAW和BAW滤波器。特定的BAW和SAW滤波器也是为了应对无线标准共存的突出挑战，如Wi-Fi和低功耗蓝牙（LE）。

一个广泛使用的声学滤波器的例子是用于5G NR TDD频段n79的Qorvo QPQ4900 BAW滤波器（图3）。这一子带通BAW滤波器，专为附近可能存在Wi-Fi 6E无线网络潜在干扰场景下的宏基站与小型基站而设计。另一个例子是Qorvo QPQ1063 GPS SAW双工器，设计用于L1/L2 GPS频段。

结论 

RF滤波器是现代无线通信系统中的关键部件；它们衰减不需要的频段，以尽量减少干扰并确保系统的正常功能。由于技术的物理限制，RF滤波器并不总十分理想，并可能会导致通带频率的一些损失。声波滤波器，特别是BAW和SAW滤波器，由于其小尺寸和高Q因数而成为备受欢迎的选择。SAW滤波器的设计和制造并不非常复杂，而BAW滤波器带来更高的频率操作和更强的Q因数性能。工程师们必须考虑其滤波应用的要求和滤波器的电气规格——如滤波器类型、通带、阻带，和插入损耗——来为他们的系统设计选择合适的滤波器。

编辑：黄飞