無線通信技術在過去的幾十年中，迅速發展，通信行業經歷了從2G、3G、4G到5G的巨大跨越。濾波器作為選頻濾波器件，直接決定了通信設備的工作頻段和帶寬，在射頻前端芯片中扮演了舉足輕重的角色。伴隨5G通信極高的數據傳輸能力而來的是對濾波器高帶寬需求。如今，對各種通信制式的支持，使得現代智能手機中需要的濾波器多達幾十個。日益擁擠5G、Sub-6GHz通信頻帶，對射頻系統提出了更嚴苛的要求，低插損、高帶寬、高滾降系數和低溫漂的濾波器成為了通信行業的迫切需求。

射頻濾波器的定義

在通信設備中，射頻信號處理單元負責信號的發送與接收，包含射頻收發器、天線、射頻前端等。其中，射頻前端由一系列組件構成，包含功率放大器（PA）、濾波器（Filters）、開關（Switch）、雙工器（Diplexer/Duplexer，由2個濾波器組成）、低噪聲放大器（LNA）等，分別對應不同的射頻信號處理功能。

射頻濾波器又名“射頻干擾濾波器”，是消費電子中必不可缺的重要元器件之一。射頻濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，主要負責對通信通道中的信號頻率進行濾波。濾波器允許符合特定頻率的信號通過，同時抑制其他不需要的頻率信號，可解決不同頻段和通信系統之間產生的信號干擾問題，廣泛應用于基站和終端設備的射頻信號處理系統中。從射頻信號處理系統的布局來看，在射頻發射路徑中，濾波器位于功率放大器的后側；在射頻接收路徑中，濾波器位于低噪聲放大器的前側。



射頻信號處理系統圖

射頻濾波器的關鍵性能指標

射頻濾波器性能的優劣直接影響通訊系統的通信質量。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。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。

射頻濾波器的關鍵性能指標

射頻濾波器的分類

按照射頻濾波器的應用場景分類，濾波器可分為通信基站濾波器和手機濾波器。不同應用場景對濾波器的要求不同，因此手機濾波器與基站濾波器的體積、制造工藝、適用寬帶、成本、功率容量等特征存在明顯差異。基站濾波器更注重高穩定性、大帶寬、大功率等指標，而手機濾波器對價格、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。

射頻濾波器分類（按應用場景分類）

按照射頻濾波器的工藝材料分類，濾波器可分為可分為聲學濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器，其中聲學濾波器（SAW、BAW）是目前手機應用的主流濾波器。根據技術不同，聲學濾波器又可分為聲表濾波器（SAW濾波器）和體聲波濾波器（BAW濾波器）兩種。其中，SAW濾波器產品包括普通的SAW、具有溫度補償特性的TC-SAW濾波器及高頻I.H.P-SAW；BAW濾波器產品包括BAW-SMR和FBAR。

聲學濾波器分類（按工藝材料分類）

總體來看 ，SAW一般用于低頻段和中頻段，BAW一般用于中頻段和高頻段。

不同濾波器技術對應的頻段和性能區間

SAW濾波器簡介

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

知識鏈接：鈮酸鋰的優異性能（一）：壓電效應

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

SAW濾波器工作原理示意圖

SAW濾波器產品包括普通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濾波器的升級產品。普通SAW的工作頻率一般在2.5GHz以下，成本較低，但其熱穩定性和高頻性能較差。為了提升普通SAW的熱穩定性，TC-SAW濾波器方案被開發?，F階段TC-SAW技術愈加成熟，海外廠商相繼推出應用于手機射頻前端的產品，并取得較好的應用成果，而中國在該領域的仍需進一步探索。為了克服普通SAW低頻與散熱性能差的弱點，日本MuRata研發了I.H.P-SAW濾波器，其工作頻率可達3.5GHz，并兼具BAW的溫度特性和高散熱性優點，可部分替代BAW濾波器。

不同SAW濾波器的對比

BAW濾波器簡介

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、帶外衰減大等優勢。

BAW濾波器的基本結構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濾波器工作原理示意圖

BAW濾波器的諧振頻率取決于電極質量與薄膜壓電層的厚度。應用于高頻率場景的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（MEMS），制造成本高。

SAW和BAW濾波器的對比

SAW和BAW濾波器具備良好的頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等性能，成為手機應用的主流濾波器類型。然而，兩者在工作原理、技術特性、適用頻段、制作流程等方面各具差異。以下表格從多個維度對SAW與BAW濾波器進行對比：

SAW和BAW濾波器對比

傳統SAW/TC-SAW的頻率通常小于2.5 GHz，IHP-SAW使用高聲速層/襯底部分彌補了這一缺點，但也僅能達到3.5 GHz。SAW對溫度過于敏感，溫度變化會影響頻率，但這種溫度的敏感是可以改善的，這種溫度帶來的變化叫做TCF，衡量單位是ppm.K，改善方法就是通過TC-SAW（溫度補償型SAW）加上一層溫度補償層。 BAW器件則可以工作在約1~7GHz，BAW器件利用了厚度方向的縱波，縱波聲速較高，而其頻率由厚度決定，使用μm級別的薄膜就可以實現約GHz的頻率，目前主流的BAW器件使用的是AlN的薄膜。BAW的工藝非常復雜，需要很多步驟才能搭建一個聲學上需要的“腔”，因此成本非常高。另一方面，基于AlN薄膜BAW濾波器的聲學和歐姆損耗隨著工作頻率急劇上升，這將導致濾波器插入損耗的增加。更為關鍵的是，5G NR頻段N78、N79和N77分別需要500、600和900 MHz的帶寬。其要求的分數帶寬（FBW）>10%，對目前市場上主流的基于AlN的BAW濾波器而言是難以實現的，因其帶寬受限于AlN的機電耦合系數。

基于鈮酸鋰薄膜（POI）襯底的SAW濾波器（TF-SAW）

POI（Piezoelectric-On-Insulator）是一種絕緣襯底上的壓電材料，類似于絕緣體上的硅（SOI），POI襯底在最頂層是一層大概幾百納米厚的單晶的壓電層（鈮酸鋰或鉭酸鋰），在它之下是一層氧化埋層，大概也是幾百納米厚度，在最底下基底的部分是高電阻率硅材料。

POI結構示意圖

POI襯底主要用于構建最新一代的4G / 5G表面聲波(SAW)濾波器，提供內置溫度補償，并實現在單芯片上集成多個濾波器。POI的氧化埋層相當于溫度補償層，作用是抑制壓電材料，因為壓電材料在溫度變化的時候可能會擴張或者收縮，從而影響到頻率，因而需要氧化埋層抑制壓電材料，即器件層的鈮酸鋰或鉭酸鋰。而底層的高電阻率硅的作用是減少損耗。能夠在極薄的壓電層限制波能等效。而由于能很好地控制整個壓電層，可以在壓電層獲得更好的等效的波傳播。

通過對比可以看到，基于POI襯底的SAW技術優勢就是能源效率更高，比TC-SAW的能源損耗更小。所以它相對于SAW和TC-SAW，獲得了更高頻率、更廣帶寬。相對BAW來說，這種基于POI襯底的SAW工藝流程更簡單且成本更低。因為可以將很多個濾波器集成在同一個芯片上，所以面積也更小。從生產角度來講，它的生產流程跟SAW是相似的，但是比TC-SAW和BAW都要簡單很多。

POI：用于SAW濾波器的理想襯底

總體來看，TC-SAW是用于低頻段和中頻段的濾波技術，BAW一般用于中頻段和高頻段。而在超高頻段就比較復雜，比如說會采用LTCC、XBAR、BAW，還有IPD（Integrated Passive Device），目前在超高頻段的技術比較復雜。POI襯底的SAW可以解決中頻段和高頻段這兩個頻段的技術難題，在5G濾波器方面成為取代TC-SAW和BAW的更優解決方案。

早在2020年，Soitec濾波器業務經理Christophe Didier就曾介紹：“就其價值而言，我們認為POI襯底會成為未來幾年的一項行業標準。到2024年，我們預測 POI襯底的可服務市場規模將達到100萬片晶圓?！?/p>

基于鈮酸鋰薄膜（POI）襯底的XBAR濾波器

鈮酸鋰（LiNbO3）擁有的高壓電性，低損耗特性有助于實現高帶寬、低插損的濾波器，這一點已經在SAW器件上得以體現，薄膜的出現意味著有望實現高頻率器件。高頻和高帶寬雙特性的加持，使LiNbO3有望成為可用于5G頻段的高性能諧振器與濾波器。

LiNbO3晶體具有高度各向異性，除了材料本身以外，還需要關注其切向。特定聲學模式的激發與特定切向是密切相關的，因為當切向變化的時候，其材料參數也發生了變化。其中最為關鍵的是與壓電效應有關的參數。 下表中顯示了LiNbO3的幾種常見切向的壓電應力常數：e33、e15和e16。

幾種常見切向的LiNbO3的壓電應力常數

基于鈮酸鋰薄膜（POI）襯底的體聲波諧振器/濾波器，其頻率和帶寬都與5G NR完美契合。基于鈮酸鋰薄膜襯底的XBAR器件可實現現有的SAW和AlN BAW無法企及的高頻率和高耦合系數，同時實現相對較高的Q。這些特性，使得這一技術有望在未來廣泛應用于高性能的5G頻段的諧振器/濾波器。

基于鈮酸鋰薄膜的XBAR濾波器的性能

射頻濾波器的市場規模

5G技術的引入導致大量頻段被集成到一部智能手機，直接帶來射頻芯片用量的急劇增加。在2G時代，手機頻段數是4個；3G時代，手機頻段數上升到6個；在4G時代，千元手機頻段數就達到了8-20個，旗艦手機頻段數在17-30個，需要20-40個濾波器，10個開關；到了5G時代，頻段數將達到50個，需要70-80個濾波器和15個開關。

除了手機移動終端，其他包括5G基站，物聯網連接終端等場景也需要用到大量的射頻濾波器。

隨著通訊技術的發展，濾波器逐步成為射頻前端中價值量最大的部分，3G時代占比33%，預計今年占比會提升至66%。SAW濾波器用量目前占比最大，在4G、5G中，SAW濾波器占整個濾波器的60~70%。BAW、IPD、LTCC占剩下的20~30%。

手機用的濾波器之前國產化率不高的一大重要原因是海外SAW濾波器廠商的專利申請時間為2000~2005年（以2002年以前為主），專利保護期為20年，目前大部分專利保護期已過，國內廠商出現后來居上的機會。但并非國內廠商在專利限制這塊以后的發展暢通無阻，生產和工藝端的一些專利限制還是有，不過這方面追溯起來不太容易。

BAW的專利出來較晚，國內廠商很難繞過，且目前國內客戶不太能接受國內BAW濾波器產品，村田的TF-SAW面市后可與BAW抗衡，TF-SAW專利分散，大多專利集中在要在中國開展業務的廠商手中，而BAW的專利主要集中在博通和Qorvo手中，后續國內廠商更可能往TF-SAW方面發展。

根據Resonant統計，2016-2020年全球射頻濾波器市場規模從50億美元增長至150億美元。2016年至2020年平均復合增長率為31.6%，2020年至2025年平均復合增長率為15%，預計到2025年市場規模有望超過302億美元。

審核編輯：劉清