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射频滤波器向高频化、模组化方向发展

李亚东 2019-10-17 2306 0

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射频前端是移动通信设备中的核心部件,其细分元器件包括:滤波器(Filter)、功率放大器(PA)、射频开关(Switch)、低噪声放大器(LNA)、天线调谐器等,而滤波器是其中最重要的一个部件,其价值占据射频前端价值总量的50%。

摘要:射频前端是移动通信设备中的核心部件,其细分元器件包括:滤波器(Filter)、功率放大器(PA)、射频开关(Switch)、低噪声放大器(LNA)、天线调谐器等,而滤波器是其中最重要的一个部件,其价值占据射频前端价值总量的50%。

目前,市场上的射频滤波器产品主要包括: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。衡量滤波器性能的指标有:Q值和插入损耗,其中SAW、BAW滤波器凭借高Q值、低插入损耗的优良性能已成为射频滤波器的主流选择。

图1 声学射频滤波器的分类

(资料来源:五度易链行研中心整理)

SAW滤波器在2.5GHz以下频段性能更好

SAW滤波器是采用石英晶体、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。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,符合现代通信对高频化、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。但通过使用温度补偿材料生产的TC-SAW滤波器具有更好的热稳定性,更适合移动端使用,可是工艺更复杂、制造成本相对较高;日本村田公司改良的I.H.P-SAW滤波器克服了SAW低频的弱点,产品频率在3.5GHz,并兼具BAW的温度特性和高散热性优点,可部分替代BAW滤波器。

BAW滤波器更适合高频通信要求

BAW滤波器内的声波主要是垂直传播,产品主要有BAW-SMR技术、FBAR技术两种,压电材料与SAW的石英材料不同,常用AlN(氮化铝)、PZT(锆钛酸铅)、ZnO(氧化锌)等材料。BAW与SAW相比性能更好、成本也更高,当频段越来越多,甚至开始使用载波聚合的时候,就必须得用BAW技术才能解决频段间的相互干扰问题。

BAW滤波器的尺寸随频率升高而缩小,适合要求更高的3G和4G通信,对于5G通信依然游刃有余。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。

表1 SAW和BAW滤波器技术对比

(资料来源:Qorvo,五度易链行研中心整理)

射频滤波器向微型化、高频化、模组化方向发展

滤波器产品主要向着低功耗、低成本、高性能三个目标发展,目前市场上主要呈现出两种技术发展趋势。一种是提高现有产品技术性能,例如改良的TC-SAW及FBAR滤波器产品,解决了产品本身的技术缺陷,提高了热稳定性和多频干扰难题,并通过专利壁垒进一步拉大与竞争对手的差距。另一种发展趋势是研发体积更小、成本更低的整体射频前端芯片。这种滤波器采用晶圆与晶圆的键合,通过成熟的TSV和电镀工艺、硅工艺结合在一起,滤波器的成本和体积都得到了大幅的减少,同时将滤波器与PA、射频开关等器件进行整体封装,向模块化、集成化方向发展,这一趋势未来将推动了整个射频行业的整合。

我国在滤波器技术的发展情况

目前,射频滤波器市场主要被村田、TDK、博通、Qorvo等美日几大巨头垄断,国内自给率较低。我国射频滤波器整体发展处于技术研发、初步量产阶段,产品主要应用在国内手机厂商中低端手机中,不论是产能还是技术水平都与国外厂商差距较大。国内从事滤波器的企业主要有德清华莹、中电26所、北京长峰、中讯四方、中科非鸿等,SAW产品方面主要有无锡好达、锐迪科、天通股份等公司,而适合高频的BAW滤波器国内还没有可以量产的公司。

结语

随着人们对移动通信的要求越来越高,全面屏及手机轻薄化、高频通信、频率资源拥挤化等都对滤波器的性能提出更高的要求,适应高频通信、热稳定性好、体积小、集成度高的滤波器将是未来的主要发展方向。

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