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BAW滤波器有望借MEMS工艺加速RF前端集成进度

发布:2017/6/8 10:00:00 |作者: wangqiongfang |来源: 1

TAG      滤波器  

随着移动通信模式和频段的增加,射频前端模块成了移动设备中不可缺少的一部分。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%,其市场前景可观。在射频前端模块中,未来发展的关键又在于射频滤波器(Filter)模块。关于滤波器的设计、制造难点与市场情况,是本文探讨的重点。

顺应5G高频趋势 BAW有望在2022年取代SAW

随着移动设备对网络频段数量的支持不断升级,RF射频前端的关键部分——滤波器市场前景广被看好。以单个频段需要2个滤波器来计算,4G LTE的射频前端系统架构(五模十七频)就需要30多个滤波器,目前已有LTE芯片支持40多个频段。而有专家称,一部智能手机最终将支持全球91个频段,可见,滤波器的市场前景何等可观!

迦美信芯通讯技术有限公司董事长倪文海博士

迦美信芯通讯技术有限公司(以下简称“迦美信芯”)董事长倪文海博士表示,2G只有四个频段,但是到了4G,会出现五模十几频甚至几十个的频段。频段越多,对滤波器的需求也就越多。据倪博士透露,现在滤波器占射频前端总成本的70%,超过功率放大器、射频开关和天线调谐器的总和。随着4G+的载波聚合和5G时代的到来,频段数量需求会更多,滤波器的用量也会越来越大,这是业界越加重视滤波器的原因。

?Qorvo亚太区市场战略部高级经理陶镇

Qorvo亚太区市场战略部高级经理陶镇表示,在FDD系统里需要收发同时工作的双工器(收发二合一滤波器),而在TDD系统里通常收发可以共享一颗滤波器。随着多频段、载波聚合和共存干扰的需求及要求愈发严格,滤波器在可调试宽带技术尚不成熟的情况下,个数会明显增加。通常来说,多个频段需要多个滤波器进行前端射频信号的处理。

在技术层面,滤波器在RF射频前端的重要性也日渐凸显。滤波器的职责,主要是让频带内的有用信号通过天线到达蜂窝基站,并滤除掉频带外的杂散信号。这些“杂散”信号包括来自附近频段的信号干扰,就像我们听收音机时,在某个频段会偶尔掺杂进来其他频道的信号,这就是滤波器“失职”所造成。又比如,我们在打电话时,偶尔会断线或者声音不清晰等,也多少跟滤波器的作用发挥失常有关系。

从滤波器技术的发展进程来看,SAW(声表面波)Filter和BAW(体声波)Filter分别代表着不同阶段的技术方向。

倪文海博士分析了两种滤波器技术的优劣。首先来看SAW滤波器,“从SAW Filter的频率公式f=v/λ(v指速率,约3100m/s,λ指IDT电极之间的间距)可以看出,频率越高, 要求的IDT电极之间的间距越小,而实际上间距不能太小,这就导致SAW Filter并不太适合2.5GHz以上的频率,而且,很小的间距(高频率)下电流密度太大(高功率)会导致电迁移和发热等问题。而SAW Filter对温度变化又比较敏感,其性能会随着温度升高而变差,虽然可通过在IDT上增加保护涂层来解决,但增加的涂层又会使工艺变得复杂,成本也会增加。

倪文海博士告诉记者,SAW滤波器的最好应用范围是2.0GHz以内,功率小于33dBm。目前SAW工艺也有了长足的进步,甚至可以应用到2.4GHz频段。但相比之下,BAW滤波器最大可以工作到20GHz,功率可以接近40dBm(10W),且对温度变化不敏感,具备“插入损耗小、带外衰减大”等优点。并且,BAW Filter的制造工艺也非常符合现有的IC制造工艺,适合和其他的active电路做整体的结合。不足之处在于,BAW滤波器成本高,另外因为Q值高,量产一致性是个致命的挑战。

综上来看,SAW Filter的优势在于成本低,技术成熟且产品一致性高,不足是工作的频段有限(2.5GHz以内),且对温度变化敏感。而BAW Filter则刚好相反,优势在于可在高达20GHz的高频工作,对温度变化不敏感,插入损耗小,带外衰减大,不足则在于成本高、一致性差。但从整体技术发展趋势来看,BAW Filter是用于接替SAW Filter的新一代滤波器技术,并已经开始应用于苹果手机等高端移动设备中。

由于BAW的结构分BAW-SMR和FBAR,因此BAW-SMR和FBAR作为BAW的分支,同样具备BAW的所有优点,特别是FBAR滤波器技术备受国际大厂青睐。目前,从美国厂商 Aavgo掌握了FBAR的专利技术横扫4G与Wi-Fi高频滤波器市场来看,FBAR市场的需求热度在持续高涨。苹果iPhone智能手机中使用的滤波器就是Qorvo公司提供的FBAR滤波器。

可见BAW Filter在高端智能手机上的应用正在成为趋势,不过这并不说明SAW Filter就完全失去了市场。相反,在一定时期内,SAW仍将占据中低端市场绝大部分市场份额,除了移动通信领域,2.4G Wi-Fi传输对于SAW的需求依然相当大,这几年依然会有可观的市场占有率。

Qorvo陶镇也表示,BAW并不会完全取代SAW,二者会分别在中高频和低频发挥出最佳的性能优势,并长期并存。相比于SAW,BAW的优势在于中高频段的性能优势,如更小的插入损耗、更高的带外抑制等。但近几年,SAW的工艺也在不断提升,如高品质因素SAW以及温度补偿SAW等。简言之,2GHz以下SAW的市场占有率仍比较大,但2GHz以上BAW的市场占有率会比较高。

倪文海博士同样表示,目前在4G LTE的平台上,SAW滤波器依然占到70-80%的比例,原因是虽然BAW滤波器有工艺的优势,但是SAW工艺也在不断地发展和演进。所以目前,SAW和BAW是有好几年共存的时期。BAW会布局在高性能、高频率和高功率的“高大上”的应用领域,而SAW会在成本压力比较大,性能、频率和功率又可以比较能妥协的应用当中。不过倪博士认为,随着5G通讯时代的到来,载波频率需要高到甚至60GHz,届时SAW可能会被淘汰,BAW会完全取代SAW,而这个时间点可能会在2022年左右。

中国电子科技集团公司第四十一研究所微波模块生产负责人许岩峰

中国电子科技集团公司第四十一研究所(以下简称“中国电科”)微波模块生产负责人许岩峰表示认同,他称BAW取代SAW的时间点主要看MEMS工艺的进展程度,MEMS工艺发展得快则取代得越快。他还强调,BAW对SAW的取代不仅仅是因为性能,更在于成本。未来,如果BAW能够和RF射频前端其他模块很好地融合,那么它替代SAW的步伐会更快,长远来看BAW取代SAW是必然。”

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