目前主流滤波器是什么？它的基本原理及应用前景

射频滤波器是射频前端芯片市场份额最大的细分领域。RF滤波器包括了SAW（声表面滤波器）、BAW（体声波滤波器）、陶瓷滤波器（LTCC滤波器）、IPD（Integrated Passive Devices）等。全面屏及手机轻薄化，频率资源拥挤化，高性能的滤波器愈发重要。

AW、BAW滤波器是目前手机应用的主流滤波器。衡量滤波器性能的指标有两个：Q值和插入损耗。Q值越高，表明滤波器可以实现更好的滤波功能。插入损耗是指通带信号经过滤波器之后的信号功率衰减，当插入损耗达到1dB，则信号功率衰减达到20%。从这两大指标来看，SAW和BAW滤波器凭借优良的频带选择性、高Q值、低插入损耗等特性，已成为射频滤波器的主流选择。

移动无线数据和4G LTE网络的快速增长导致了对新频段以及通过载波聚合来组合频段的需求不断增长。3G网络只使用了大约五个频段，LTE网络使用的频段有40多个，随着5G的到来，频段的使用数量将会进一步增加。互联设备必须要跨多个频段来发送蜂窝信号、Wi-Fi信号、蓝牙信号和GPS信号，同时还要避免干扰，这就需要滤波器发挥其作用。

目前国外厂商在SAW滤波器领域的技术已较为成熟，并构建了专利壁垒，形成Murata、Qualcomm、TAIYOYUDEN等数家国际厂商的供给垄断格局。国内SAW滤波器厂商的研发与产品市场应用时间相对较短，技术与产品性能同大型国际厂商之间仍存在差距，急需加强技术研发投入突破技术壁垒，逐步提升行业的国产化程度。

根据Yole数据，BAW滤波器主要以美国的Qorvo、Broadcom为主，2018年垄断了全球95%以上的市场份额。国内BAW滤波器尚处于起步阶段，仅有少数公司和科研机构有BAW样品提供。

根据《射频滤波器介绍》，SAW和TC-SAW滤波器适用于2.5GHz以下的低频段。在2.5GHz以上的中高频段，BAW滤波器为首选。但是在更高频的SUB-6G频段及毫米波频段，SAW、BAW滤波器已经不能满足需求，需要使用到IPD、LTCC等滤波器。因此在未来5G通信时期，对BAW、IPD、LTCC等中高频滤波器的需求量将持续增加。

SAW滤波器是声表面波（Surface Acoustic Wave）滤波器的简称，其本质是采用石英晶体、压电陶瓷等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件，广泛应用于电视机及录像机中频电路中以取代LC中频滤波器，使图像、声音的质量大大提高。一个基本的SAW滤波器由压电材料(piezoelectric substrate)和两个Interdigital Transducers(IDT)组成。

IDT是由交叉排列的金属电极组成，一侧的IDT把电信号转成声波，另一侧的IDT把接收到的声波再转成电信号。IDT之所以能够将电信号转成声波，其原因在于IDT下方的压电材料。压电是指某些晶体受到外部压力时会产生电压，相反地，如果某些晶体两面存在电压，晶体形状会轻微变形。SAW滤波器常用的压电材料有铌酸锂（LiTaO3），铌酸锂（LiNbO3），SiO2等。

SAW滤波器的主要特点是：设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能好、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻且能实现多种复杂的功能。

SAW滤波器的特征和优点，正适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。其不足之处是：热稳定性较差，高频特性有待改善。

根据化合物半导体技术介绍，BAW滤波器最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度为2um)，声波在压电薄膜里震荡形成驻波。

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，以形成驻声波在大于2.5GHZ的频段，BAW压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在載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。

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

为了把声波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小损失和最大Q值。声波在固体里传播速度为~5000m/s，即固体的声波阻抗大约为空气的105倍，所以99.995%的声波能量会在固体和空气边界处反射回来，跟原来的波一起形成驻波。而震荡结构的另一面，压电材料的声波阻抗和其他衬底的差别不大，所以不能把压电层直接沉积在衬底上。方法有二：

其一，在震荡结构下方形成Bragg reflector，把声波反射到压电层里面。反射板由数层高低交替阻抗层组成，且每层的厚度是声波的λ/4，这样大部分波会反射回来和原来的波叠加。整体效果相当于和空气接触，大部分声波被反射回来，这种结构称为BAW-SMR。

其二，可采用FBAR技术。当前主流的FBAR结构主要有三种：空气隙型、硅反面刻蚀型和固态装配型。

压电材料方面，石英作为常见的压电材料，在高电压和高压力的情况下表现出线性反应，但还没有合适的方法把石英做成薄膜沉积硅衬底上。合适的BAW压电材料需要高机电耦合系数，低机电损耗，高热稳定性，还要符合IC工艺技术。目前最常用的BAW压电材料有AlN（氮化铝），PZT(锆钛酸铅)，ZnO(氧化锌)等。

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用，但高于1.5GHz时，BAW滤波器性能优势开始凸显。BAW滤波器的尺寸随频率升高而缩小，适合要求非常苛刻的3G和4G应用。此外，即便在高宽带设计中，BAW对温度变化并不敏感，同时还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边。