2022-09-02|閱讀時間 ‧ 約 8 分鐘

【5G】射頻模組-RF濾波器

■RF濾波器常見名詞

LNA = Low Noise Amplifier低噪音放大器

MEMS = Micro Electromechanical System 微機電系統

SAW = Surface Acoustic Wave表面聲波 : 是在壓電晶體表面上形成的電磁波。

TC-SAW = Temperature compensation SAW 溫度補償表面聲波

BAW = Bulk Acoustic Wave體聲波 : 是在壓電晶體內部形成的電磁波。

FBAR = Film Bulk Acoustic Resonator 薄膜體聲波濾波器

LTCC = Low Temperature Co-fired Ceramic 低溫共燒陶瓷

IDT = Interdigital Transducer 聲電互換器

VCO = Voltage Controlled Oscillator 壓控振盪器

PLL = Phase Locked Loops鎖相迴路

■RF (Radio Frequency) 射頻元件架構

●射頻模組 (Radio Frequency Front End Module):

指的是介於天線與基頻間的中頻及射頻模組(IF+RF)。

此模組分成 Tx Front End 發射端及 Rx Front End 接收端, 是手機通信系統的

核心組件, 它的性能直接決定了手機接收信號強度, 通話穩定性, 發射功率等

重要性能

■濾波器

濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。

濾波器可以對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除，

得到一個特定頻率的訊號，或消除一個特定頻率後的訊號。

■RF濾波器

RF濾波器的種類

1. 聲波濾波器

(1) 表面聲波(SAW)濾波器

(2) 體聲波(BAW)濾波器：如FBAR 濾波器

2.低溫共燒陶瓷(LTCC)濾波器

其中，SAW 和 BAW 濾波器是目前手機應用的主流。

【TIPS】Avago安華高購併Broadcom博通後就積極朝5G、物聯網(IoT)、車聯

網及AI等相關領域佈局，穩懋與Avago策略聯盟後，一直努力開發5G相

關產品，兩家公司共同攜手搶食全球5G應用龐大商機。

■SAW (Surface Acoustic Wave) 表面聲波濾波器

SAW濾波器的基本結構由壓電材料襯底和2個IDT（Interdigital Transducer）

組成。

IDT聲電互換器是交叉排列的金屬電極,可將聲波與電子信號做相互轉換。

IDT製作在壓電材料上，常用的材料是石英、鉭酸鋰（LiTaO3）或鈮酸鋰（LiNbO3）等。

下圖左邊的IDT把電子信號轉成聲波，右邊IDT把聲波轉成電子信號。

【TIPS】 IDT是怎麽把電信號轉成聲波呢？

原因在於IDT下方的壓電材料。壓電(piezoelectricity or piezoelectric effect)

Piezoelectricity這詞來源於希臘語piezein，表示施加壓力，1880年由兩位法國

物理學家(Pierre，Paul-Jacques Curie)發現。壓電是指某些晶體(Crystal)受到

外部壓力時會產生電壓，相反地，如果某些晶體兩面存在電壓，晶體形狀會輕微

變形。

SAW 優缺點

（O）通常比BAW便宜

（O）體積小於傳統的腔體和陶瓷濾波器

（O）插入損耗低/抑制性較好

（O）適用於GSM、CDMA、3G和一些4G頻段

（X）頻率達到1GHz以上時，選擇性下降，但SAW的可工作頻率上限約為

2.7GHz

（X）頻率超過2.7GHz時，由於性能下降，SAW的使用受到限制

（X）這些設備對溫度敏感——基材在較高溫度下變得更易彎折，會使聲速受到

負面影響

■BAW (Bulk Acoustic Wave) 晶體聲波濾波器

BAW濾波器基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜（如石英），聲波在壓電薄膜

裡震盪形成駐波(standing wave)。板坯厚度和電極品質（Mass）決定了共振頻

率。其壓電層厚度在幾微米量級，因此要在載體基板上採用薄膜沉積和微機械加

工技術實現諧振器結構。目前常用的BAW壓電材料有氮化鋁（AlN），鋯鈦酸鉛

（PZT）、氧化鋅（ZnO）等。

BAW濾波器製造工藝步驟是SAW的10倍，但因其在更大晶圓上製造的，每片晶

圓產出的 BAW器件也多了約4倍。

BAW濾波器一般工作在1.5~6.0GHz，是3G/4G智慧手機的主力。

BAW 優缺點

（O）在高頻（1.5GHz-6GHz）下性能高於SAW

（O）優秀的Q 值，通常情況其損耗極低且帶外衰減大

（O）濾波器尺寸隨著頻率的增加而降低，因此非常適用於要求苛刻的3G和4G

（O）對溫度變化的敏感度遠低於SAW

（X）比SAW貴

【TIPS】目前全球SAW和BAW濾波器市場均被國際巨頭壟斷。

SAW濾波器市場 :

前五大廠商Murata、TDK、TAIYO YUDEN、Skyworks、Qorvo

佔據了95%的全球市場；

BAW濾波器市場 :僅Broadcom-Avago一家就佔據了87%的全球市場份額

【TIPS】SAW 與 BAW 兩者比較

●FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)薄膜晶體聲波濾波器

FBAR濾波器不同於以前的濾波器，是使用矽底板、借助MEMS技術以及薄膜技

術而製造出來的，現階段的FBAR濾波器(包括Membrane type和Airgap type)

已經具備了略高於普通SAW濾波器的特性。

FBAR 濾波器原理 : 由夾在兩個電極之間的壓電層組成，壓電層在兩個電極上被

聲激發。下圖FBAR通過（a）氣隙或（b）聲鏡與基板隔離。

■LTCC 低溫共燒陶瓷模組

LTCC低溫共燒陶瓷技術是於1982年休斯公司開發的新型材料技術，

LTCC是以陶瓷作為電路基板材料，內外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，

在攝氏850~900多度的燒結爐中，將三大被動元件（包括電阻、電容、電感）及

雜項被動件（如濾波器、阻抗變換器、耦合器等）封裝於多層布線基板中，並與

主動元件（如：功率MOS、電晶體、IC電路模塊等）以平行式印刷塗佈製程燒

結形成整合式陶瓷元件,共同集成為一完整的電路系統。

因為陶瓷與矽的材質極接近，因此適合與IC晶片連接，且具有省空間、降低成本

的優點。不過，LTCC在將溫度控制在900度以內進行燒結時，有收縮程度不同的

困難，且仍以堆疊方式製成，容易使電氣特性變數增加。

LTCC在手機射頻前端主要應用是低通濾波器、共模濾波器、微帶貼片天線

(Microstrip Patch Antenna)等。

●LTCC陶瓷濾波器

採用的陶瓷材料其介電常數Q值（品質因數）較高，損耗小，同時溫度漂移小，

因此，相比傳統金屬腔諧振器，陶瓷介質諧振濾波器具有高抑制、插入損耗小、

溫度漂移特性好的特點，而且功率容量和無源互調性能都得到了很大的改善。

5G時代基站濾波器的新變化--陶瓷介質濾波器:5G時代，受限於Massive MIMO

對大規模天線集成化的要求，濾波器需更加小型化和集成化。陶瓷介質濾波器中

的電磁波諧振發生在介質材料內部，沒有金屬腔體，體積較上述兩種濾波器都會

更小，同時兼具陶瓷介質諧振濾波器的優點，並且一旦實現量產其成本也會更

低。我們認為陶瓷介質濾波器有望成為5G時期中低頻段的主流選擇。

■RF元件/模組供應鏈

https://www.books.com.tw/products/0010767422

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