[4G+5G专题-137]: 终端 - 射频前端（滤波器功率放大器）详解

Posted 2022-02-27 文火冰糖的硅基工坊

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目录

第1章 射频前端FEM概述

第2章 滤波器

2.1 滤波概述

2.2 SAW：成熟且仍在发展

2.3 高性能BAW

2.4 器件市场分析

 第3章 功率放大器

3.1 功率放大器概述

3.2 市场格局

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第1章 射频前端FEM概述

射频前端聚焦的是调制后的高频（射频）电磁波的功率和带宽。 

带宽的控制是由滤波器完成的。

功率的控制是由PA完成的

第2章 滤波器

2.1 滤波概述

滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路。

滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。换句话说，凡是可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器。滤波器，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。

带通滤波器（band-pass filter）是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备。比如RLC振荡回路就是一个模拟带通滤波器。

目前，主要有两种类型的滤波器器：SAW和BAW滤波器

滤波器会评估信号并去除不需要的频率信号，同时保留所需频率信号。

滤声器是移动设备中最常用的滤波器种类。

射频干扰一直是无线通信的天敌，它要求设计师采取凌厉手段以束其就范。随着每台设备内所支持频段的日益增多，当今的无线设备必须要同时防范来自其它设备及自身的干扰信号。

一款高端智能手机必须要对超过15个频段的2G、3G和4G、5G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时要滤波的还包括：Wi-Fi、蓝牙和GPS接收器的接收路径。必须对各接收路径的信号进行隔离。还必须要对出处杂多、难以尽举的其它外部信号进行抑制。要做到这点，一款多频段智能手机需要八或九个滤波器和八个双工器。如果没有声滤波技术，这将难以实现。

2.2 SAW：成熟且仍在发展

（1）概述

声表面波（SAW）滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。

SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身，不仅可实现宽带宽，其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。因为SAW滤波器制作在晶圆上，所以可以低成本进行批量生产。SAW技术还支持将用于不同频段的滤波器和双工器整合在单一芯片上，且仅需很少或根本不需额外的工艺步骤。

存在于具有一定对称性晶体内的压电效应是声滤波器的“电动机”及 “发电机” 。当对这种晶体施以电压，晶体将发生机械形变，将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时，机械能又转换为电能。在晶体结构的两面形成电荷，使电流流过端子和/或形成端子间的电压。电气和机械能量间的这种转换的能量损耗极低，无论电/机还是机/电能量转换，效率都可高达99.99%。

在固态材料中，交替的机械形变会产生3,000至12,000米/秒速度的声波。在声滤波器内，对声波进行导限以产生极高品质因数（Q值可达数千）的驻波（standing waves）。这些高Q值的谐振是声滤波器的频率选择性和低损耗特性的基础。

在一款基础SAW滤波器（图1）中，电输入信号通过间插的金属交指型换能器（IDT）转换为声波，这种IDT是在诸如石英、钽酸锂（LiTaO3）或铌酸锂（LiNbO3）等压电基板上形成的。在一款非常小设备内，IDT的低速特性非常适合众多波长通过。

（2）SAW滤波器有局限性

• 高于约1GHz时，其频率选择性降低；
• 在约2.5GHz，其使用仅限于对性能要求不高的应用。
• SAW器件易受温度变化的影响，是个老大难问题：温度升高时，其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。

（3）技术优化

一种替代方法是使用温度补偿（TC-SAW）滤波器，它是在IDT的结构上另涂覆一层在温度升高时刚度会加强的涂层。

温度未补偿SAW器件的频率温度系数（TCF）通常约为-45ppm/℃，而TC-SAW滤波器则降至-15到-25ppm/℃。但由于温度补偿工艺需要加倍的掩模层， 所以，TC-SAW滤波器更复杂、制造成本也更高，但仍比腔体体声波（BAW）滤波器便宜。

2.3 高性能BAW

虽然SAW和TC-SAW滤波器非常适合约1.5GHz以内的应用，高于1.5GHz时，BAW滤波器非常具有性能优势（图2）。

BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小，这使它非常适合要求非常苛刻的3G和4G, 特别是5G的应用。

此外，即便在高宽带设计中，BAW对温度变化也不那么敏感，同时它还具有极低的损耗和非常陡峭的滤波器裙边（filter skirt）。

不同于SAW滤波器，BAW滤波器内的声波垂直传播，如下图所示：

对使用石英晶体作为基板的BAW谐振器来说，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。而板坯厚度和电极质量（mass）决定了共振频率。

在BAW滤波器大显身手的高频，其压电层的厚度必须在几微米量级，因此，要在载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。

为使声波不散漫到基板上，通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格（Bragg）反射器。这种方法被称为牢固安装谐振器的BAW或BAW-SMR器件（图4）。另一种方法，称为薄膜体声波谐振器（FBAR），它是在有源区下方蚀刻出空腔，以形成悬浮膜。

因这两种类型BAW滤波器的声能密度都很高、其结构都能很好地导限声波，它们的损耗都非常低。在微波频率，BAW可实现的Q值、在可比体积下、比任何其它类型的滤波器都高，可达：2500@2GHz。这使得即使在通带边缘的吃紧处，它也有极好的抑制和插入损耗性能。

虽然BAW和FBAR滤波器的制造成本更高，其性能优势非常适合极具挑战性的LTE频带以及PCS频带，后者的发送和接收路径间只有20MHz的狭窄过渡范围。BAW和FBAR滤波器的IDT可做得足够大，以支持4W@2GHz的更高射频功率。BAW器件对静电放电有固有的高阻抗，其BAW-SMR变体具有约-17ppm/℃@2GHz的TCF 。

2.4 器件市场分析

 第3章 功率放大器

3.1 功率放大器概述

功率放大器（英文名称：power amplifier），简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。

射频功率放大器是各种无线发射机的关键单元电路，在无线通信、导航、卫星通讯、雷达、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用。

无线通信市场的快速发展一方面不断推动着射频功率放大器向高集成度、低功耗及价格低廉的方向发展；另一方面不断对射频功率放大器的线性度、效率及输出功率等性能指标提高越来越高的要求。因此，射频功率放大器已然成为无线发射机设计中最具挑战的单元之一。

峰均功率比：是信号峰值功率与平均功率电平之比。

最大输入和输出功率：在选择RF功率放大器时，必须考虑最大输入和输出功率。

射频放大器输入功率超过最大允许输入电平时，可能会损坏放大器，尤其是在放大器级联时更为重要。在选择放大器的时候，需要考虑整个工作带宽内的平坦度和损耗，确保输出功率电平在通频带内都能满足要求。

尺寸和功耗：选择RF放大器时必须考虑物理尺寸。放大器的尺寸范围从毫米到几米不等，因此，必须根据应用环境进行选择。大多数功率放大器在其运行期间会发热（实际上是能量的损耗），为了保障其工作正常，必须提供良好散热和空气循环。

功耗是另一个需要牢记的因素，某些特殊的功放类型在非常高功率下运行时需要很高的交流电源和外部冷却系统。

3.2 市场格局

备注：

虽然5G整体的技术，华为掌握了核心技术，然而，从市场份额来看，无论是滤波器（国外厂商占80%市场份额）还是功率放大器（国外厂商占85%市场份额），国内的5G设备的射频模拟芯片或器件的核心技术与国外还有一定的距离。

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