什么是射频滤波器?

在微波通信系统中，如雷达、测试、测量系统等，微波射频滤波器是关键的电子元件。该滤波器是一种无源电路，经过适当的设计和设置，可以产生微波射频滤波。

随着移动设备的功能越来越强大，支持的网络频带越来越多，射频前端模块已经成为移动设备不可缺少的一部分。例如，一款较新的手机需要至少支持3G、4G、5G以及WiFi、GPS等网络标准，而每个标准都需要它的射频前端模块。射频前端模块一般包括天线开关、多路复用器、滤波器、功率放大器、低噪声放大器等。

为什么我们需要射频滤波器?

随着无线通信应用的发展，人们对数据传输速度的要求越来越高。在2G时代，只有少数人会使用手机上网，浏览WAP版本的网页，所需的数据速率在1KB/s左右。在3G时代，随着智能手机的普及，使用运营商的网络发送和接收电子邮件，以及使用各种应用程序，导致网络流量急剧增加。所需的数据速率约为50KB/s。在4G时代，直播等应用大大提高了手机通信的带宽要求，所需的数据速率已达到1MB/s。更不用说正在进入的5G时代，它需要更快、更大的数据传输。

与数据速率的提高相对应的是频谱资源的高利用率和通信协议的复杂性。这两个问题是相辅相成的:由于频谱资源有限，为了满足人们对数据速率的需求，必须充分利用频谱。因此，手机必须能够覆盖较宽的频率范围，以便不同人的设备可以在拥挤的情况下使用。只有这样才能分配足够的频谱带宽。同时，为了满足数据速率的要求，从4G开始使用载波聚合技术，使一台设备可以同时使用不同的载波频谱传输数据。

另一方面，为了在有限的带宽内支持足够的数据传输率，通信协议变得越来越复杂，对射频系统的各项性能提出了严格的要求。

在射频前端模块中，射频滤波器起着至关重要的作用。它可以滤除带外干扰和噪声，满足射频系统和通信协议对信噪比的要求。如前所述，随着通信协议越来越复杂，对频带内外通信协议的要求也越来越高，这也使得滤波器的设计越来越具有挑战性。此外，由于每个频带都需要有自己的滤波器，手机需要支持的频带数量也在不断增加，因此手机中需要使用的滤波器数量也在不断增加。

过滤技术

射频滤波器最重要的指标包括质量因子Q和插入损耗。在目前的通信协议中，不同频段之间的频率差越来越小，所以需要有非常好的选择性，让通带内的信号通过，阻断通带外的信号。Q值越大，滤波器的通带带宽越窄，可以实现更好的选择性。除了质量因子Q外，插入损耗也是一个重要的参数。插入损耗是指滤波器对通带信号的衰减，即信号功率损耗。

目前，射频滤波器最主流的实现方法是SAW和BAW。SAW是一种利用压电效应的表面声射频滤波器。当对晶体施加电压时，晶体将发生机械变形，将电能转化为机械能。当这种晶体被机械地压缩或拉伸时，机械能就转化为电能。电荷在晶体结构的两侧形成，允许电流流过端子和/或在端子之间形成电压。在固体材料中，交替的机械变形可以产生速度为每秒3000到12000米的声波。在表面声波滤波器中，声波在表面传播形成驻波，其品质因子可达数千。

基本的射频滤波器类型

过滤器是一种过滤波的装置。它是一种允许一定频带内的信号通过，同时阻断频带外信号的电路。滤波器主要包括低通滤波器、高通滤波器和带通滤波器，根据电路的工作原理可分为无源滤波器和有源滤波器。

• 低通滤波器:
  电感阻止高频信号通过，允许低频信号通过，但电容器的特性正好相反。信号可以通过电感或通过电容连接到地的滤波器对低频信号的衰减比高频信号小，称为低通滤波器。低通滤波器的原理很简单。它采用电容通过高频屏蔽低频，电感通过低频屏蔽高频的原理。对于需要切断的高频，用电容吸收电感，防止其通过;对于需要释放的低频，低通滤波器利用电容器的高电阻和电感的低电阻的特性使其通过。
• 高通滤波器:
  高通滤波器的特性一般用一阶线性微分方程表示。它的左侧与一阶低通滤波器相同。只有右边是激发源的导数，而不是激发源本身。当较低的频率通过系统时，很少或没有输出，当较高的频率通过系统时，衰减会较小。事实上，对于极高的频率，一个电容相当于一个短路。这些频率可以在电阻的两端输出。换句话说，高通滤波器适用于通过高频，但对低频即最高通滤波器具有较大的阻碍作用。
• 带通滤波器:
  带通滤波器是一种只允许特定频率通过而有效抑制其他频率信号的电路。由于其对信号的选择性，带通在电子设计中得到了广泛的应用。例如，RLC槽是一个模拟带通滤波器。带通滤波器是指可以通过某一频率范围内的频率成分，而将其他频率范围内的频率成分衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相反。

新一代衬底技术实现5G突破

4G时代的过滤器数量约为60-80个，5G时代的过滤器数量将达到120-150个。基于POI优化的衬底，新型SAW滤波器可提供内置温度补偿，并可在单个芯片上集成多个滤波器。

射频滤波器作为移动通信系统的核心部件之一，负责将手机发射和接收的不同频段的无线电信号进行分离。它由功率放大器(PA)、双工器、开关和低噪声放大器(LNA)组成。它们一起构成了射频前端(RFFE)系统。由于5G终端设计技术的日益复杂，射频滤波器预计三年内市场的复合年增长率(CAGR)将高于12%，达到180亿美元。截至2019年底，RFFE市场规模约为130亿美元(包括3G和4G)。

为新一代4G/5G超高频滤波器提供压电(POI)基板对于进一步增强其先进的射频前端产品组合以及5G调制解调器和射频系统的性能至关重要。该技术被集成到多个产品线中，包括功率放大器模块(PAMiD)、前端模块(FEMiD)、分集模块(DRx)、Wi-Fi分配器、GNSS分配器和RF多路复用器。考虑到要实现高速数据传输，4G和5G网络需要使用更多的频段。因此，智能手机必须集成数量更多、性能更好的滤波器，以保证信号的完整性和通信的可靠性。

滤波器市场的前景可以用巨大来形容，但滤波器仍然是射频前端中最具挑战性的模块。