针对4G/LTE智能手机的FBAR滤波器技术

虽然全球手机市场仍然以每季单位数字的速度增长，智能手机的出货量却持续激增，随着新一代手机的推出，智能手机可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的条件下持续提供更多的功能，这些新产品的背后动力来自于新的移动通信网络，如4G和LTE技术的推出，大多数人已经把具有更快下载速度和更佳移动互联网体验与最新服务画上等号，正如预期，几乎绝大多数的产业新闻都围绕在最新型手机的功能上，例如电池续航力、显示屏的亮度、色彩以及分辨度等，但到底是什么样的半导体构造方块带来如此令人惊艳的产品呢?

现代智能手机中一个非常重要的部分是射频(RF)滤波器，正如它的基本原理，滤波器主要应用于通过需要并拒绝不要的频率，以使手机中的许多接收器可以只处理预期的信号。在过去，手机通常只在全球特定地区的少数频段中工作，然而对于现代化的手机，基本上会在相同时间于多个无线频段工作，包括移动通信、蓝牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望设计出可在全球不同地区和不同电信运营商服务下工作的产品，要让手机在更多频段和地区工作代表了手机对射频滤波的要求越来越高。

在前几代的无线技术中，滤波要求并不难达成，可能只需使用表面声波滤波器即可，但随着运营商网络逐渐演进到CDMA和3G，安华高科技发现公司拥有的薄膜腔声波谐振器(FBAR)技术非常适合美国PCS和部分其他频段对于滤波的高挑战性要求，为了可以利用目前的4G/LTE服务，智能手机本身变得更为复杂，因此手机制造商已经开始扩大采用Avago的FBAR技术来解决以下即将讨论4G/LTE所面对的独特问题。

射频滤波器挑战1：可在多个频段工作的4G/LTE手机

最新的智能手机产品在设计上必须可在全球多个频段工作，多频段智能手机的整体尺寸并不会大于前一代，因此如果要在保留给射频前端电路的相同空间内加入更多的滤波器，那么非常明显地，滤波器本身必须非常小，藉助Microcap微型封装技术，FBAR滤波器可以通过芯片级封装满足绝大多数的空间受限应用。由于FBAR是基体型材料，因此可以提供非常良好的功率处理能力而不需要使用如SAW滤波器中常见的并行结构，另外，FBAR器件的尺寸也会随着频率的提高而缩小，这使得FBAR非常适合目前2300MHz到2700MHz，以及未来3.5GHz的新4G/LTE频段应用。

也许FBAR技术中最重要的特性是可以支持高挑战性频段分配的陡峭滤波曲线以及卓越的带外抑制能力，图1是先前提到美国PCS应用的情况，其中上方发射频率和下方接收频率间的间隙非常窄，这个特性对于4G/LTE应用而言更为重要，原因是发射和接收频率间的间隙更窄。除此之外，现今的智能手机也必须在紧邻现有2G/3G射频服务的拥挤频谱内工作，还要避免可能影响甚至中断数据服务的干扰，通常频段间的过渡频率大约在数MHz，有时甚至完全没有防护频带。

图1 FBAR滤波器响应特性

FBAR滤波器带来的价值优势之一可由美国使用的Band 13环境看出，这个由Verizon公司使用作为LTE服务的频段距离警察、消防和其他应急处理机构使用的新公共安全无线电服务频段仅2MHz，为了避免干扰PSR运行，LTE标准要求在Band 13频段上工作的手机必须大幅度降低发射功率，但功率的降低则会明显影响网络效率，减少可以服务的用户数和服务质量，大幅度降低数据吞吐量甚至导致掉线，通过结合带温度补偿超快速转折FBAR双工器和高度线性化功率放大器于环境受到良好控制的集成前端模块中，Avago创造了一个可以让Band 13频段手机全功率工作而不会干扰PSR运行的产品，FBAR双工器的性能可以说是这类产品的成功关键之一。

射频滤波器挑战2：运行于更高数据率的4G/LTE智能手机

相较于3G服务，相同数据量下4G/LTE的下载速度大约可以达到10倍，也就是说于同样时间内可被下载的数据量达到10倍，有几种方法可以用来实现更高的数据率，4G/LTE会依检测到的信号强度使用不同的调制方式，简单地说，信噪比越高，数据率就愈高，如由QPSK转换成QAM16/64调制。于通过单刀多掷开关结合多个双工器的多频段4G/LTE手机上，检测到的信号可能过低而影响数据率，FBAR的低插入损耗有助于极大化输入信号强度，带来更高的数据吞吐量，从而得到更好的用户体验和更高的数据容量。