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『这个知识不太冷』探索 RF 滤波器技术(下)

关键词: RF 滤波器 压电式滤波器

时间:2024-01-04 15:27:52      来源:Qorvo半导体

RF 滤波器谐振器耦合系数是决定声学耦合滤波器带宽的关键因素。在SMR或FBAR配置中,提高BAW滤波器谐振器的耦合效率可以在小封装尺寸下提供低插入损耗和高性能。

『这个知识不太冷』系列,旨在帮助小伙伴们唤醒知识的记忆,将挑选一部分Qorvo划重点的知识点,结合产业现状解读,以此温故知新、查漏补缺。本篇继续阐述 RF 滤波器的一些重要概念。

了解滤波器的温度系数

似乎每年都会为手机、Wi-Fi、汽车等应用分配新的频谱。增加新的频谱是好事,它们会推动无线设备逐步改进。但增加这些额外的频谱有时候会影响到某些区域,导致其中的频段相互重叠。此外,因为 RF 路径增加,会导致系统发热量随之增加。

为了确保妥善隔离这些信号路径,会使用温度系数较低的RF滤波器。但并不是任何一种滤波器都适用于这些频段紧密相连的应用。如图1所示,手机和Wi-Fi频段有时候紧挨着彼此,只相差几个兆赫兹。我们使用BAW等RF滤波器技术来确保这些频段彼此共存。


图1:紧密连接的 Wi-Fi 和手机频段的示例

在SAW和BAW技术中,采用最优的温度系数至关重要。它可以决定一个应用是容易遭到RF干扰,还是具有出色的信号质量。在BAW和SAW技术中,滤波器响应基于温度变化,如图2所示。


图2:压电式滤波器的温度漂移

当滤波器响应随着应用温度而改变时,滤波器带宽在变冷时向右漂移,在变热时向左漂移。滤波器的温度漂移是由工艺的百万分之一摄氏度(ppm/°C) 特性和滤波器在应用中经历的温度漂移决定的,如图2所示。

应用的频率和环境条件通常是固定的,因此,要将滤波器的温度漂移降到最低,唯一方法是通过工艺技术。使用温度补偿(TC)滤波器工艺技术会影响滤波器的整体响应。如图2所示,TC-SAW、多层SAW和BAW技术工艺大大降低了单个滤波器的温度漂移。这些BAW、多层SAW和TC-SAW工艺技术提供更低的插入损耗,产生更陡的滤波器裙边,并提供更好的温度响应,这些都等同于温度变化期间更好的带外衰减。它们还能提高接收器的灵敏度、隔离和抑制。

·  与SAW滤波器相比,BAW滤波器本身对温度变化的敏感度更低。温度补偿(TC-SAW和TC-BAW)甚至会进一步降低温度敏感度。

·  在BAW中,可以使用某些设计技术来创建TC-BAW类型的结果,但一般来说,当涉及到实现良好的温度系数值时,BAW是有效的。但是,由于结构不同,三种类型的BAW在求解温度系数时存在差异。

下图说明空腔可能会影响散热路径,从而影响滤波器的温度系数。在5G和Wi-Fi应用中,当处于更高频率时,BAW相较于FBAR的优势会更加明显。由于谐振器的尺寸更小,所以在更高频率下,处理滤波器的功率会变得更具挑战性。但是,在使用BAW时,反射器层也会变得更薄,这会进一步改善散热。

 
图3:BAW 与 FBAR 滤波器在功率和散热方面的比较

相比之下,使用FBAR时,空腔上方的膜变得更薄,降低了它从谐振器转移热量的能力。因此,当BAW和FBAR之间的插入损耗为常数时,发射功率每升高一瓦,温度升高20°C,FBAR则是每瓦升高70°C。温度变化越小,性能越高,使得BAW滤波器能够满足系统在高功率、高温条件下的插入损耗和带外衰减要求。此外,因为高Q因数和高耦合,BAW滤波器具有低插入损耗,这有助于降低功耗和相关的散热问题。

由于如今的高频率和小尺寸应用,温度方面的限制也愈加严苛。此外,设计的频率越高,要满足参数要求的难度就越大。其中一个关键参数是插入损耗。线路长度、匹配组件、滤波器组件和连接走线都会对插入损耗产生额外影响。频率高于3GHz时尤其如此。为了优化系统的链路预算,需要使用低插入损耗滤波器。

Q因数评估

滤波器的插入损耗由多种因素决定。其中包括相对于中心频率的滤波器带宽、滤波器的阶数,以及组成组件的谐振器的Q因数。Q因数是衡量谐振电路的选择性的一个指标。

如图4所示,谐振器损耗和耦合是实现低插入损耗和高选择性的关键。如果谐振器的耦合和阻抗相似,可以通过Q因数来比较它们的性能。


图4:RF 滤波器的Q因数、带宽和衰减特性

了解滤波器耦合系数

在滤波器技术中,驱动应用性能的两个性能参数是滤波器耦合系数和Q因数。

RF 滤波器谐振器耦合系数是决定声学耦合滤波器带宽的关键因素。在SMR或FBAR配置中,提高BAW滤波器谐振器的耦合效率可以在小封装尺寸下提供低插入损耗和高性能。

有效耦合系数(K2eff)是测量谐振频率(ƒs)和抗谐振频率(ƒp)之间的相对间距的一种指标。它的值取决于许多因素,包括电极和压电特性。

机电耦合系数用于测量压电式器件在将电能转化为机械能时的效率,反之亦然。互能,或可转换能,是弹性能和介电能。为了使滤波器谐振器的耦合系数达到最大,提供的声能反射应尽可能接近谐振器,这一点至关重要。例如在BAW滤波器中,谐振器的有效耦合系数决定了滤波器可获得的平坦通带带宽。

了解滤波器封装

在许多应用中,射频前端 (RFFE) 的表面积在不断缩小。之所以出现这种变化,主要是因为器件尺寸不断缩小,以及需要为更多消费电子功能腾出空间。

如今的大多数封装都是模块和单片集成,或者两者的组合集成。下图展示了一个高度集成的模块,包括功率放大器、BAW 滤波器和天线开关。这个模块又会集成到更复杂的系统级封装 (SiP) 中。而这只是常规应用中单个SiP内集成的多个复杂模块中的一个。


图5:SiP内部的复杂RF模块

在了解 RF 滤波器技术的一些重要基础概念之后,更多系统工程师使用滤波器技术的实例将逐步呈现给大家。

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