[技術(shù)前沿]華為公開最新濾波器專利，可以應(yīng)用在大功率基站上了
2023年9月5日，華為公開了一種芯片濾波器設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的專利，專利名稱為“濾波器及其制作方法、電子設(shè)備”，公開號是CN116711212A。“這項(xiàng)發(fā)明用于提高濾波器的功率容量，從而解決現(xiàn)在只能應(yīng)用在手機(jī)終端設(shè)備的聲波芯片濾波器，由于功率容量限制而不能應(yīng)用于基站的問題。” 也就是說，這項(xiàng)發(fā)明制造的濾波器芯片，可以應(yīng)用在大功率基站上了？
這項(xiàng)最新的濾波器專利結(jié)構(gòu)示意如下圖所示，是一種固態(tài)裝配型 SMR-BAW濾波器，相對于FBAR濾波器來說，SMR-BAW 本身就具有高穩(wěn)定性和高功率容量，在華為最新專利中順利獲得將襯底換成碳化硅來進(jìn)一步提高BAW濾波器的功率容量。至少在理論上，這種方式是可行的。
（來自專利公開文件）
該專利所發(fā)明的濾波器結(jié)構(gòu)包括：碳化硅襯底101，設(shè)置于碳化硅襯底一側(cè)的Bragg反射層102，以及設(shè)置于聲波反射層遠(yuǎn)離碳化硅襯底一側(cè)的金屬電極103。金屬電極包括底部金屬電極和頂部金屬電極，且底部金屬電極和頂部金屬電極之間設(shè)置有壓電功能層105。
在專利文件中介紹到：這項(xiàng)發(fā)明利用碳化硅襯底良好的導(dǎo)熱功能，可以實(shí)現(xiàn)更好的散熱，同時具有更好的溫度補(bǔ)償，減小溫漂，進(jìn)而可以提高濾波器的功率容量。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 簡單復(fù)習(xí)一下聲波濾波器的基礎(chǔ)知識。
芯片濾波器，其主要運(yùn)用壓電材料的壓電效應(yīng)，將電磁波信號轉(zhuǎn)換為聲波信號，由于聲波在介質(zhì)中傳播的波速慢，相同諧振頻率的聲波波長就遠(yuǎn)小于電磁波的波長。這樣其二分之一諧振體積就會很小，從而實(shí)現(xiàn)減小濾波器體積的目的。
常見的聲波濾波器有聲表面波 SAW 濾波器和體聲波 BAW 濾波器。
SAW濾波器利用叉指換能器IDT實(shí)現(xiàn)電磁波信號和聲波信號的轉(zhuǎn)換，如下圖所示，其諧振頻率主要受叉指換能器的間距L的決定，受工藝限制，其間隙很難做到很小，所以一般用于工作在1GHz以下的濾波器設(shè)計(jì)，比如中頻濾波器或者其他工作在1GHz以下的場合。現(xiàn)在有一些比較先進(jìn)的工藝，SAW的工作頻率也在進(jìn)一步提高，比如在2GHz-3GHz,也有SAW濾波器產(chǎn)品。但是SAW濾波器的損耗較大和功率容量也較小。
而體聲波BAW濾波器則是利用兩個金屬電極之間的壓電陶瓷薄膜實(shí)現(xiàn)電磁波信號和聲波信號的轉(zhuǎn)換，其諧振頻率主要決定于壓電陶瓷薄膜的材料屬性和厚度，如下圖所示，因此其工作頻率要遠(yuǎn)高于SAW濾波器。有實(shí)驗(yàn)證明其可以工作在10GHz以上，現(xiàn)在Akoustis 公司推出的可以工作在 7GHz 左右的XBAW 濾波器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
在體聲波BAW濾波器中，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同又分為FBAR和SMR-BAW濾波器。FBAR是一種空腔型體聲波濾波器，其利用在金屬電極下挖空介質(zhì)形成空氣腔，實(shí)現(xiàn)聲波的全反射，從而形成諧振，其結(jié)構(gòu)如左圖所示，其全反射效率比較高，可實(shí)現(xiàn)較高的Q0，因此損耗比較??；而SMR-BAW濾波器則利用高低阻抗薄膜構(gòu)成的Bragg反射層來實(shí)現(xiàn)聲波的“全”反射，進(jìn)而形成諧振，結(jié)構(gòu)如右圖所示。受Bragg反射層反射效率的限制，會造成部分聲波信號的泄露，因此其Q0會受影響，SMR-BAW濾波器的損耗也相對較大一點(diǎn)。
很顯然，SMR-BAW濾波器其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，散熱性能也更好，因此其功率容量和可靠性要優(yōu)于FBAR，但是其Bragg反射層很難做到聲波信號的全反射，因此其損耗一般要比FBAR濾波器要大。華為最新專利顯示，利用碳化硅基底和更好的Bragg反射層，其濾波器的功率容量和損耗性能都有一定程度的提高。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 知道聲波濾波器這種芯片級濾波器的體積非常小，比如星耀半導(dǎo)體推出的B3頻段的TF-SAW雙工器，其體積也僅有1.8mm*1.4mm大小，N79頻段的BAW濾波器體積僅有1.4mm*1.1mm。這個體積也就相當(dāng)于一顆0805的電容的大小，僅PCB面積就比當(dāng)前5G基站用的陶瓷波導(dǎo)濾波器體積重量小了100多倍。
（來自星耀半導(dǎo)體官網(wǎng)）
但是聲波濾波器在縮小體積的同時，也降低了其功率容量，體聲波濾波器不僅電極比較薄，同時壓電陶瓷的厚度又極其薄，通常在微米級，所以當(dāng)射頻功率增大的時候，其極容易被擊穿或者過熱而損壞。
一般情況下其功率容量在1W以下，也就是30dBm，甚至更低，比如AKOUSTIS 公司推出的這款工作在6.5GHz的xBAW 濾波器A10165，其標(biāo)稱功率容量僅28dBm。
（來自AKOUSTIS官網(wǎng)）
這樣就限制了聲波濾波器在大功率無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，比如移動通信基站射頻前端。如果能夠?qū)⒙暡V波器的功率容量提高36dBm左右，其在小基站或者微基站中的應(yīng)用問題就可以得到有效解決，如果能夠達(dá)提高到40dBm，那么5G Massive MIMO基站的射頻前端濾波器是不是也就可以用BAW濾波器了？
所以說，如果這種利用材料特性實(shí)現(xiàn)的聲波濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率，低損耗，對常規(guī)的射頻濾波器簡直是降維打擊。
但是這個專利的實(shí)用性如何？，到底能夠?qū)⒙暡V波器的功率容量提高到多少？
尚沒有公布詳細(xì)數(shù)據(jù)，不過這項(xiàng)2021年提出的專利，到2023年公布日已經(jīng)有兩年多時間，有可能實(shí)際產(chǎn)品比專利所說的又要提高了很多，讓 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 拭目以待！
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