濾波器詳細(xì)講解

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。

濾波器簡介

1.1

介紹

高通濾波器電路圖

按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。

按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器五種。

按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

根據(jù)基礎(chǔ)構(gòu)造可以分為為分立式電感電容型濾波器、多層陶瓷濾波器、單體陶瓷濾波器、聲學(xué)濾波器和空腔濾波器。

注：UHF——頻帶范圍為300～3000MHz

L/S——1～4GHz

C——4～8GHz

X/Ku——8～18GHz

Ka——27～40GHz

LMDS——無線接入技術(shù)：本地多點分配業(yè)務(wù)

MMDS——多信道多點分配業(yè)務(wù)

當(dāng)前濾波器的兩大主要用途為基站用濾波器與終端（主要是手機）用濾波器。其中，目前國內(nèi)大多數(shù)基站采用的是尺寸較大、成本與性能都較為良好的腔體濾波器，而聲學(xué)濾波器則憑借尺寸小和性價比高的優(yōu)勢成為移動終端設(shè)備上最常用的濾波器。

射頻濾波器又名“射頻干擾濾波器”，主要負(fù)責(zé)對通信通道中的信號頻率進(jìn)行濾波，可解決不同頻段和通信系統(tǒng)之間產(chǎn)生的信號干擾問題，廣泛應(yīng)用于基站和終端設(shè)備的射頻信號處理系統(tǒng)中。從射頻信號處理系統(tǒng)的布局來看，在射頻發(fā)射路徑中，濾波器位于功率放大器的后側(cè)；在射頻接收路徑中，濾波器位于低噪聲放大器的前側(cè)。

射頻濾波器性能的優(yōu)劣直接影響通訊系統(tǒng)的通信質(zhì)量。Q值、帶寬、阻帶抑制度、插入損耗、延遲時間等是衡量濾波器性能的指標(biāo)。其中，Q值和插入損耗是選擇濾波器的最常用、最主要的性能指標(biāo)。

注：Q=中心頻率/帶寬，中心頻率描述的是工作頻段，帶寬是范圍。

應(yīng)用場景

主要在通信行業(yè)（移動通訊、衛(wèi)星通訊）和軍事（雷達(dá)、電子對抗）。

2.1

移動通訊

大規(guī)模天線技術(shù)（massive MIMO）通過天線數(shù)量的大量增加實現(xiàn)通信技術(shù)的“硬升級”。Massive MIMO 的特點是多TRX、多天線陣列取代原有2×2天線陣列，將波束賦形與用戶間空間復(fù)用結(jié)合，提升數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性。Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用普及不僅為天線行業(yè)帶來巨大增量市場，也將為基站和濾波器帶來快速增長的行業(yè)機會。在MIMO多天線技術(shù)方面，MIMO技術(shù)使得通訊的速率和容量實現(xiàn)成倍增長，是LTE及未來5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。4×4 MIMO表示的是基站和手機之間的一種工作模式，要實現(xiàn)4×4 MIMO，手機必須支持四天線，基站必須具備4T4R的能力，即基站天線能夠提供4發(fā)和4收的能力，這樣能夠更充分地利用空間維度，大幅度地提升頻譜效率和功率效率。為提升通訊速率，預(yù)計到2020年，MIMO 64×8 將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，即基站端采用64根天線，移動終端采用8根天線的配置模式，甚至未來5G MIMO使用天線數(shù)將達(dá)到128甚至256個。目前市場多數(shù)手機僅僅支持MIMO 2×2 技術(shù)，若采用MIMO 64×8技術(shù)，基站天線的配置數(shù)量需要增長31倍，手機天線數(shù)量需要增長3倍。

1)基站

3G/4G時代，基站一般以分布式架構(gòu)為主，由BBU（基帶處理單元）、RRU（射頻處理單元）和天饋系統(tǒng)（天線、饋線等）組成。

基站射頻濾波器主要分為金屬腔體濾波器（應(yīng)用于2G-4G時代基站，應(yīng)用率達(dá)95%，產(chǎn)業(yè)鏈成熟，適用于低頻通信）和介質(zhì)濾波器（使用5G基站建設(shè)小型化和輕量化需求，是5G基站的新風(fēng)口），對應(yīng)的制造工藝分別是金屬精密加工和介質(zhì)燒結(jié)。

基站濾波器更注重高穩(wěn)定性、大帶寬、大功率等指標(biāo)。

·濾波器結(jié)構(gòu)改變+數(shù)量增加

5G時代，濾波器將從金屬腔體全面轉(zhuǎn)向陶瓷介質(zhì)，技術(shù)路線完全革新。因為(1)基站天線由2T2R、4T4R向64T64R發(fā)展，一面天線所需濾波器由2個變?yōu)?4個;(2)RRU和天饋合二為一成為AAU。因此5G設(shè)備的重量和體積相對于4G要求將更為嚴(yán)格，濾波器必須小型化、集成化，體積更小、更輕的陶瓷介質(zhì)濾波器將取代傳統(tǒng)的金屬腔體濾波器成為主流。

陶瓷介質(zhì)濾波器相比于已經(jīng)工藝成熟的金屬腔體濾波器，性能指標(biāo)上還有所欠缺。目前在3.5GHz頻段技術(shù)工藝相對成熟，2.6GHz頻段的量產(chǎn)節(jié)奏可能稍慢于3.5GHz。

小型化金屬濾波器是傳統(tǒng)金屬腔體濾波器的升級產(chǎn)物。因為目前的陶瓷介質(zhì)濾波器雖在體積和重量上占優(yōu)，但是性能指標(biāo)還是略差：(1)可承受功率較低，對于功放的要求較高。(2)插損和帶外抑制表現(xiàn)略差。且目前陶瓷介質(zhì)濾波器的供應(yīng)相對緊張，因此部分廠商在5G初期選擇了小型化金屬濾波器方案作為過渡。長期來看，陶瓷介質(zhì)濾波仍將是主流技術(shù)路線，這點從五大設(shè)備商的選擇也可以看出。

2)終端

手機濾波器對價格、體積（手機射頻濾波器尺寸為毫米級別，基站射頻濾波器為厘米級別）更為敏感。

手機射頻濾波器主要為聲學(xué)濾波器，包含SAW、TC-SAW、BAW、FBAR等。聲學(xué)濾波器由于使用了半導(dǎo)體微細(xì)加工工藝，能做到體積很小，特別是與傳統(tǒng)空腔濾波器和陶瓷濾波器相比，體積只有前者的零頭。同時由于聲表面波濾波器在晶圓上組裝，可以低成本大批量生產(chǎn)，并且能夠同時滿足高低頻率要求，因此具有較高的性價比，廣泛應(yīng)用于移動終端設(shè)備中。

SAW：

聲表面波（Surface Acoustic Wave）濾波器（簡稱：SAW濾波器）是采用石英晶體、鈮酸鋰、壓電陶瓷等壓電材料，通過壓電效應(yīng)和表面波傳播的物理特性所制成的一種濾波專用器件。SAW濾波器早期多應(yīng)用于以電視機為代表的視聽類家電產(chǎn)品，在90年代之后，隨著通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，SAW濾波器的產(chǎn)量與需求直線上升，并廣泛應(yīng)用于手機等移動通信終端設(shè)備。此外，SAW濾波器采用半導(dǎo)體平面工藝制作，具有良好的一致性和重復(fù)性，并可實現(xiàn)低成本批量生產(chǎn)。

SAW濾波器的基本原理是在輸入端通過壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)為聲信號在介質(zhì)表面上傳播，而在輸出端由逆壓電效應(yīng)將聲信號轉(zhuǎn)為電信號。

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，SAW濾波器向高頻、高溫度穩(wěn)定性、大寬帶方向發(fā)展：

SAW濾波器產(chǎn)品包括普通SAW濾波器、具有溫度補償特性的TC-SAW濾波器以及高性能的高頻SAW濾波器，后兩者屬于普通SAW濾波器的升級產(chǎn)品。普通SAW的工作頻率一般在2.5GHz以下，成本較低，但其熱穩(wěn)定性和高頻性能較差。為了提升普通SAW的熱穩(wěn)定性，TC-SAW濾波器方案被開發(fā)?，F(xiàn)階段TC-SAW技術(shù)愈加成熟，海外廠商相繼推出應(yīng)用于手機射頻前端的產(chǎn)品，并取得較好的應(yīng)用成果，而中國在該領(lǐng)域的仍需進(jìn)一步探索。為了克服普通SAW低頻與散熱性能差的弱點，日本MuRata研發(fā)了I.H.P-SAW濾波器，其工作頻率可達(dá)3.5GHz，并兼具BAW的溫度特性和高散熱性優(yōu)點，可部分替代BAW濾波器。

BAW：

體聲波（Bulk Acoustic Wave）濾波器（簡稱：BAW濾波器）的工作頻率范圍在1.5GHz-6GHz，最高可達(dá)10GHz。BAW濾波器的尺寸大小會隨著頻率升高而縮小，適用于要求更高的4G、5G通訊。與SAW濾波器相比，BAW濾波器更適合于高頻率，并具備對溫度變化不敏感、插入損耗小、帶外衰減大等優(yōu)勢。

BAW濾波器的基本結(jié)構(gòu)是由兩個金屬電極夾著壓電薄膜組成。BAW濾波器的工作原理與SAW濾波器相似，不同的是BAW濾波器的聲波以垂直方向傳播，貼嵌于石英基板頂、底兩側(cè)的金屬電極對聲波實施激勵，聲波在壓電薄膜里從頂部表面震蕩反彈至底部，以形成大于2.5GHz頻段的駐波。

BAW濾波器的諧振頻率取決于電極質(zhì)量與薄膜壓電層的厚度。應(yīng)用于高頻率場景的BAW濾波器的壓電襯底厚度必須在微米量級，因此載體基板需要采用難度較高的薄膜沉積和微機械加工技術(shù)（MEMS），制造成本高。

壓電材料方面，BAW濾波器的壓電材料需要具備高機電耦合系數(shù)、低機電損耗、高熱穩(wěn)定性等特性，并需符合半導(dǎo)體制作工藝技術(shù)。目前BAW濾波器常用的壓電材料主要有氮化鋁（ALN），鋯鈦酸鉛（PZT）或氧化鋅（ZnO）。

從濾波器發(fā)展趨勢來看，BAW濾波器是用于接替SAW濾波器的新一代濾波器技術(shù)，并已經(jīng)開始應(yīng)用于蘋果手機等高端移動設(shè)備中。不過這并不能說明SAW濾波器已經(jīng)完全失去了市場，相反，在一定時期內(nèi)，SAW仍將占據(jù)中低端市場絕大部分市場份額，特別是在2.4G Wi-Fi傳輸領(lǐng)域，其對于SAW的需求依然相當(dāng)大。

由此，兩類濾波器目前仍具有一定的市場規(guī)模，簡要可以概括為BAW主要布局在高性能、高頻率和高功率的應(yīng)用領(lǐng)域，而SAW主要使用在成本壓力比較大，性能、頻率和功率又比較能妥協(xié)的應(yīng)用中，即近幾年內(nèi)BAW與SAW將分別在中高頻和低頻發(fā)揮出最佳的性能優(yōu)勢，共存于市場。

·趨勢：小型化、高頻帶寬化、集成化

SAW/BAW濾波器的小型片式化，是移動通信和其它便攜式產(chǎn)品提出的基本要求。為縮小SAW/BAW濾波器的體積，通常采取三方面的措施：一是優(yōu)化設(shè)計器件用芯片，設(shè)法使其做得更??；二是改進(jìn)器件的封裝形式，現(xiàn)在已經(jīng)由傳統(tǒng)的圓形金屬殼封裝改為方形或長方形扁平金屬封裝或LCCC（無引線陶瓷芯片載體）表面貼裝的形式；三是將不同功能的SAW/BAW濾波器封裝在一起，構(gòu)成組合型器件以減小占用PCB的面積。

為適應(yīng)電子整機高頻、寬帶化的要求，SAW/BAW濾波器也必須提高工作頻率和拓展帶寬。以SAW濾波器為例，提高工作頻率的手段主要從兩方面考慮：1、提高細(xì)線條加工的設(shè)備能力；2、利用聲表面波傳播速度更高的壓電材料。曝光設(shè)備和光刻技術(shù)是制作高頻SAW濾波器的關(guān)鍵設(shè)備。

移動手機不斷增加功能部件，手機生產(chǎn)商也不斷提高要求前端中的RF集成度以保持它們產(chǎn)品的體積大小。集成化的后果可能是所有器件組成一個單一的無線射頻模塊。但是，這個模塊中將會包含多種技術(shù)混合的多芯片組，而不是單一芯片。在這些技術(shù)中，Si、GaAs、SAW器件將對優(yōu)化器件性能起到舉足輕重的作用。

對于SAW濾波器，它與IC的集成，將得到功能強大、體積更小的器件。目前國外研究很熱的兩種集成技術(shù)是：(a)、基于各種元件的技術(shù)，將多個元件芯片封裝（MCM）集成在一個外殼中（SiP）；(b)、將不同功能的技術(shù)集成在一個芯片上（SoP）。SiP技術(shù)比SoP技術(shù)簡單靈活、可靠性高。因此，今后SAW器件廠家將積極開展與IC廠家的合作，開發(fā)新的集成封裝技術(shù)。

2.2

衛(wèi)星通訊

a)導(dǎo)航

在衛(wèi)星導(dǎo)航射頻前端系統(tǒng)中，定位接收器需要能夠接收兩個或更多不同導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射的信號，為處理所有這些信號，GNSS接收機對帶寬、線性和抗干擾性能的要求比傳統(tǒng)的消費類 GPS 接收機更高，這個需要濾波器對相應(yīng)的信號進(jìn)行處理。

b)衛(wèi)星電視（SAW濾波器）

廣播電視發(fā)射臺和電視機都需要濾波器。

2.3

軍事

雷達(dá)、電子對抗等軍事技術(shù)中也需要濾波器進(jìn)行選頻。

電子戰(zhàn)是指利用電磁頻譜攻擊敵人或防御敵人的攻擊。2016年，全球電子戰(zhàn)市場預(yù)計價值144億美元，復(fù)合年均增長率為3.13%，到2026年，價值達(dá)到196億美元。

雷達(dá)接收機在接收回波信號的同時，不可避免地會遇到噪聲，同時還會受到各種干擾，如各種分布物體產(chǎn)生的雜波干擾、敵方施放的噪聲調(diào)制干擾等。為了選出有用目標(biāo)，同時抑制各種噪聲和干擾，需要濾波器做出頻率選擇，濾波器是完成這一任務(wù)的重要器件。

國內(nèi)軍用雷達(dá)會受軍費增長和國防信息化建設(shè)的利好影響，未來5 年增速有望超過20%，市場達(dá)千億元規(guī)模。我國民用雷達(dá)的需求端主要是氣象雷達(dá)和機場雷達(dá)，當(dāng)前市場規(guī)模在10 億元左右，增速穩(wěn)定，未來可能會受益于通用航空機場的需求拉動。

世界各地區(qū)雷達(dá)市場份額占比見下圖：

下圖為國內(nèi)軍用雷達(dá)市場規(guī)模預(yù)測（單位：億元）：

2.4

其他

工業(yè)、商業(yè)、機關(guān)團(tuán)體的配電網(wǎng)：比如在石化行業(yè)，由于生產(chǎn)的需要，石化行業(yè)中存在著大量泵類負(fù)載，并且不少泵類負(fù)載都配有變頻器。變頻器的大量應(yīng)用使石化行業(yè)配電系統(tǒng)中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環(huán)節(jié)都是應(yīng)用6脈沖將交流轉(zhuǎn)化為直流，因此產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次為主。其主要危害表現(xiàn)為對電力設(shè)備的危害及在計量方面的偏差。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，延長通信設(shè)備及電力設(shè)備的使用壽命，并且使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設(shè)計規(guī)范。

音樂：數(shù)字濾波器為音樂領(lǐng)域開辟了一個新局面，在對音樂信號進(jìn)行編輯、合成、以及在音樂中加入交混回響、合聲等特殊效果特殊方面，數(shù)字濾波技術(shù)都顯示出了強大的威力。數(shù)字濾波器還可用于作曲、錄音和播放，或?qū)εf錄音帶的音質(zhì)進(jìn)行恢復(fù)等。

市場規(guī)模

Mobile Experts預(yù)測，濾波器的市場空間將從2016年的52.08億美金快速成長至在2022 年的163.11億美金，復(fù)合增速達(dá)到21%。

由于資料有限，只計算了移動通信領(lǐng)域中的基站和終端市場的濾波器規(guī)模。

3.1

基站濾波器

武漢凡谷：一個4G基站一般使用三個RRU模塊，每個模塊根據(jù)不同應(yīng)用場景，一般使用二個或四個雙工器，5G基站一個模塊使用32或者64個濾波器。

碩貝德：公司已出貨的5G宏站天線包括5G 64T/R、32T/R波束賦型陣列天線。

預(yù)計，未來64T64R及更大規(guī)模的天線將采取介質(zhì)濾波器方案，8T8R天線的濾波器方案相對靈活。根據(jù)金屬腔體濾波器、小型化金屬濾波器、陶瓷介質(zhì)濾波器的對比結(jié)果，可以看出當(dāng)天線陣列超出32T32R時，陶瓷介質(zhì)濾波器的體積、重量優(yōu)勢較為明顯，優(yōu)先選用。但是由于64T64R天線造價較高，我們預(yù)計8T8R天線仍將占據(jù)一定空間，例如用于鄉(xiāng)村等地區(qū)覆蓋。8T8R相對而言，對于濾波器體積重量要求較松，可適用多種濾波器方案。

另一方面，在復(fù)雜頻率下，金屬濾波器方案的選頻和帶外抑制性能更佳，因此未來會根 據(jù)具體場景選擇濾波器方案，但對于64T64R甚至更大規(guī)模的天線，陶瓷介質(zhì)濾波器仍 將是主流方案。

小基站：

由于5G 時代的終端設(shè)備數(shù)量或?qū)⒊时ㄔ鲩L，單位面積內(nèi)的入網(wǎng)設(shè)備可能會增至千倍，宏基站將不能滿足正常需求。因此，未來5G通信料將是以宏基站為主，大量小基站為輔的雙基站時代。運營商可以在每個城市中部署數(shù)千個小基站以形成密集網(wǎng)絡(luò)，每個基站可以從其他基站接受信號并向任何位置的用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，從而彌補宏基站存在覆蓋盲點的劣勢。

一般來講，每個濾波器覆蓋相應(yīng)的頻段，5G時代小基站的大量使用，特別是新增的超高頻段將帶來相關(guān)頻段濾波器的巨大需求。因此在5G時代，對濾波器的需求主要集中在濾波器的小型化、高效化改進(jìn)方面，巨大的需求也將直接反映在小基站數(shù)量的提升上。此外，基站的集成化和小型化使得原有的大體積同軸腔體濾波器不再滿足要求，新型介質(zhì)濾波器可能將會替代原有的同軸腔體濾波器。原用于手機終端的體聲波濾波器（BAW）也在挑戰(zhàn)更高的功率密度，不久或?qū)⒂糜谛』尽?/p>

考慮到小基站作為宏基站的有效補充，預(yù)計建設(shè)數(shù)量有望超過1000萬個。

工信部通信科技委常務(wù)副主任、中國電信科技委主任韋樂平此前也表示，5G時代小基站將迎來巨大機遇，預(yù)計中國市場5G小基站數(shù)量應(yīng)該有數(shù)千萬量級。

根據(jù)小基站技術(shù)論壇預(yù)測，到 2025 年，小基站部署和升級將達(dá)到 1025 萬無線電，其中 840 萬為非住宅部署。企業(yè)部署位居首位，達(dá) 550 萬臺，其次是城市部署。

小基站結(jié)構(gòu)：

市場規(guī)模計算：

預(yù)計到2026年，全國5G網(wǎng)絡(luò)基本建成，宏基站數(shù)量為500-550萬個，我國的4G基站占到全球4G基站數(shù)量的一般以上，以60%占比估算，全球5G基站數(shù)約833-917萬個?？紤]到目前出貨的基站天線有32個也有64個濾波器，并且市場對于8T8R仍有需求，而32T32R和64T64R會使用陶瓷介質(zhì)濾波器，8T8R可能仍會使用金屬腔體濾波器。估算時假設(shè)64T64R、32T32R、8T8R占比分別為40%，40%，20%。小基站：以華為的EasyMacro為例，是4T的，假設(shè)使用2個雙工器。雙工器單價參考qorvo的QPQ1270。

在基站市場中，濾波器規(guī)模為410-446億元。

3.2

終端濾波器

2015年-2019年，中國射頻濾波器市場規(guī)模（按銷售額）從28.5億美元下降至26.1億美元，年復(fù)合增長率達(dá)-2.2%，主要原因是過去五年中國智能手機產(chǎn)品變化較少，市場趨向飽和，導(dǎo)致手機出貨量和濾波器市場呈下滑趨勢。隨著5G實現(xiàn)規(guī)模商用，中國智能手機出貨量有望重回增長軌道，進(jìn)一步提升中國射頻濾波器需求量。頭豹預(yù)測，未來五年，在5G驅(qū)動下，5G手機新一輪的換機潮和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展將推動中國射頻濾波器市場規(guī)模提升，市場規(guī)模有望在2024年達(dá)56.7億美元。

上圖最后一行的市場規(guī)模為中國射頻濾波器市場規(guī)模，根據(jù)中國智能手機與全球智能手機市場比例30%，推算全球射頻濾波器市場規(guī)模從2021-2024年分別為：132、165.7、174.3、189億美元。

審核編輯 ：李倩