你该选择哪种滤波器？---常见射频滤波器的分类、特点及应用

  尤瓦尔·赫拉利在《智人之上》中构建了一个深刻的认知框架：信息作为文明演进的核心驱动力，最重要的作用不是反映现实，而是链接起人类。宗教经典《圣经》便是最佳佐证-这本信息载体跨越千年时空，将数十亿信徒链接成紧密的共同体。步入数字时代，全球信息总量更呈现指数级膨胀，而承载这场信息革命的基石，正是由计算机与无线通信构筑的通信系统。通过数字通信系统，我们大家可以无缝且快速获取世界各个维度的信息，在最短时间之内对DeepSeek的横空出世而折服，为哪吒的精彩故事而赞叹。

  在通信系统中，为了最大化提高频率利用效率，滤波器发挥了及其重要的作用。如果把无线通信信号比作川流不息的车辆，那滤波器就是精确调控信息高速公路的智能红绿灯系统，通过精准的频段筛选机制，让有用信号通过，将干扰噪声导流至隔离带，从而确保信息高速公路的畅通无阻。通信系统种类非常之多，从微型穿戴设备到巨型雷达阵列，从民用基站到军事卫星，各式各样的系统要求带来滤波器种类的千变万化和繁荣发展：有的需要大功率，有的需要小体积，有的需要低损耗，有的需要大带宽。

  值得注意的是，滤波器设计始终面临着与经济学不可能三角相似的技术悖论：性能、功率、体积三个维度最多满足两个。无论何种形态的滤波器，都没法逃脱这个束缚。这种技术约束既催生了多样化的技术路径，也为工程创新划定了物理疆界。本文将系统解析主流滤波器的技术特性（如下图所示），深入探讨不同应用场景下的技术取舍，为通信系统的优化设计、不同场景选择何种滤波器，提供参考。

  当海因里希·赫兹在1887年首次验证电磁波存在时，他可能不会想到，简单的线圈（L）和电容（C）组合竟成为打开频率选择大门的钥匙。一个简单的串联或者并联LC回路，就可以在某个具体的频率产生来回震荡，进而可以对信号产生筛选作用。串联LC回路，在频率f0处阻抗最小；并联LC回路，在中心f0处阻抗（衰减）最大。

  将他们组合起来，把串联LC谐振回路放置在主路，让衰减最小的有用信号f0通过；把并联LC回路放置在对地，让带外不需要的信号旁路，有用信号f0反射。

  以上讨论的都是理想情况，实际上受限于电容电感的物理特征，LC滤波器存在很多问题。首先电感元器件的损耗大，使得有用信号的衰减比较大，且这个衰减会随频率的升高急剧上升。另外，LC滤波器还存在频率升高后难以选择正真适合的电容电感值器件、精度偏差比较大不易批量控制、承受功率较小、寄生参数多等诸多缺点，使得人们开始寻找另外的物理实现，在性能、功率、体积各个维度去寻找更优的解决方案，来实现LC回路的作用。

  但很遗憾，当你向滤波器之神祈祷，希望得到性能最强、功率最大、尺寸最小的滤波器的时候，他并不会先问你两次，这是不是你不小心遗失的金滤波器或者银滤波器，他只会扔给你一块铁疙瘩，这铁疙瘩我们一般叫他：金属腔体滤波器。

  把这样一块铁疙瘩的中间掏空，就构成了电磁场中的波导谐振器。当电磁波进入波导谐振器后，每次撞到金属壁都会遵循“全反射”规则，当电磁波的频率刚好让它在来回反射中形成稳定的驻波时，在此频率处就形成了谐振，得到中心频点f0。谐振的频率与掏空区域的尺寸紧密关联，掏空区域的尺寸越大，则谐振波长越长，谐振频率也就越低。此时，电场E储能和磁场H储能完全转换，达成动态平衡，恰似经典LC回路中容抗与感抗的完美抵消，从网络的角度一样能把它等效为一个LC回路。

  对于空腔波导谐振器来说，电容电感的加载由损耗很大的介质材料换成了空气，介质损耗大幅度降低。趋肤效应下电流只在金属表面流动，导体损耗也很低。因此，空腔波导谐振器的Q值（衡量滤波器性能维度的关键指标，越大性能越好）可达到10000+量级， 比常规的LC谐振器（Q=10-200）高出几个数量级。

  对于应用来说，波导谐振单元比较难形成串联LC回路，所以我们一般仅使用并联LC回路，再通过电磁场能量的耦合将其连起来形成滤波器。下图给出了一个典型的级联形式的波导滤波器及其对应的等效电路。

  波导滤波器家族也在不断进化：比如利用简并模可以构成TE双模滤波器，使双腔结构即可达成4阶滤波器响应；再如利用非谐振模式引入了源和负载的耦合，在布局受限时仍能生成传输零点（直线作为谐振模式设计了一个4腔8阶8零点的滤波器。

  波导滤波器的优点是插损小，功率容量大（可达数千瓦以上），缺点是体型庞大，通常用于高频且对损耗或功率要求严苛的场景比如卫星通信、微波点对点通信等场景。

  但是移动通信频段往往都在6GHz以下，频段十分拥挤，需要滤波器用更多阶数来提供强大的抑制能力。此时波导滤波器的尺寸过大，没有办法接受。未解决波导滤波器的体积焦虑，同轴腔体滤波器应运而生。同轴腔体滤波器又分为金属同轴和介质同轴两大类。

  一个典型的金属同轴腔体的谐振器单元如下图所示，主体是在一个空的密闭腔体中的一个金属柱子，密闭腔体和金属柱子联合起来产生谐振。相比于波导滤波器，中间的金属柱引入了电容电感加载，改变了腔体内部的边界条件，谐振模式也由波导TE模变为了准TEM模，这大幅度的降低了平面尺寸。我们一样能把他等效成一个LC回路。随着金属柱子上的圆盘尺寸越大，引入的电容加载效应越强，其高度也能更加进一步压缩。但由于电容效应的加载、电流密度变大，其功率容量和Q值也会受到影响。

  同轴腔体滤波器在无线基站中的广泛应用，推动了有关技术的发展：比如为了进一步小型化使用介质部分加载、为了灵活排腔使用非谐振拓扑和直线型容性耦合、为了改善温漂采用不一样线胀系数的材料、以及为降低人工调试成本开发自动调试的算法。

  但是在更严苛的场景下，金属同轴由于小型化后带来Q值和功率容量的下降而无法胜任。工程师们开始思考，同轴滤波器插损变大，是因为小型化后带来导体损耗的增加，如果把大部分电磁场都集中于高介电常数的介质及其周围，那么导体损耗就随之降低了，只要介质的损耗做到足够小，就实现了高Q值。并且，由于高介电常数介质的引入，尺寸相比于波导也会一下子就下降。因此，一种新的谐振器形式诞生了，我们叫做介质同轴形式。常见的介质同轴形式为TE模介质谐振器和TM模介质谐振器。

  一个典型的TE模介质谐振器如下图所示，高介电常数的介质被介质支撑，四周是密闭的金属腔体，上面是塑料调谐结构。而介质的损耗角正切又能做到非常低，因此，TE模介质谐振器的无载Q值能够达到20000（=45@1.8GHz），相比于金属同轴成倍提升。代价是体积比金属同轴腔体更大，实现较大带宽滤波器更加困难，谐波更差等。

  而TM模同轴介质滤波器又是在金属同轴和TE模介质同轴间取一个折中，其Q值比金属同轴好，尺寸比TE模介质同轴小（和金属同轴相当），而且由于场在高度方向上没有周期性变化，因此能压缩高度但不影响频率，可以将腔体滤波器压的很扁。典型的TM模同轴滤波器如下图所示，高介电常数的介质上下表面均被短路，外围被一金属腔体屏蔽。

  但另一方面，TM模介质同轴需要双端接地的边界条件，其装配难度和成本要高于金属同轴，并且由于调谐的范围没有金属同轴大，给加工和装配也提出了更高的要求。

  如果频率继续降低到100MHz-500MHz这个频段，比如给某些电台使用的时候，金属同轴滤波器尺寸仍旧比较大，我们大家可以用螺旋线滤波器来解决。典型的螺旋线谐振单元的结构如下所示，它相当于把一端短路，一端开路的λ/4同轴线弯折，就像一座精密设计的弹簧滑梯，电磁波沿着这条螺旋形的金属导体旋转、滑行。螺旋线的“绕圈”结构在有限体积内大幅延长电磁波路径，实现小型化。

  螺旋线谐振器的尺寸不到金属同轴的1/3，它也能提供500-1000左右的Q值，数十瓦的功率容量，用在电台、中频处理等场景颇为合适，但是在高频时的性能会断崖式下滑。

  电影《蚁人》中，主角通过皮姆粒子重新排布分子结构，质量与量子空间交换，能轻松实现体积大幅缩小。在滤波器领域不需要这么复杂。当我们嫌弃腔体滤波器的巨大体积，又愿意牺牲功率和损耗的时候，我们大家可以借助一个关键公式：波长=波速/频率，而波速=光速/根号下介电常数：

  滤波器的尺寸，主要由波长λ决定。在介质材料中，由于介电常数的存在，波速会比真空中波速c变慢，从而波长降低，滤波器体积减少。如果介质的相对介电常数

  ，波长因此相应减小，减少滤波器体积减少。根据公式可知，腔体滤波器可以视为介质滤波器在介电常数的

  常见的射频用介质滤波器大致上可以分为三类：Monoblock、介质波导和介质电容加载波导。

  Monoblock滤波器，其相当于在介质上做了一个金属同轴滤波器，所有谐振单元和耦合结构集成在单一陶瓷块内。陶瓷内部的金属化通孔相当于金属同轴的接地细圆柱，陶瓷表面的方形金属相当于金属同轴的圆盘，同样起到电容加载的作用。但是，Monoblock滤波器的耦合实现形式没有金属同轴那么灵活，除了调节谐振柱之间的远近外，就只可以通过改变介质上层表面金属图案来改变耦合。目前实际中Monoblock滤波器主要使用在于600MHz—8GHz，其Q值一般在500-700区间，功率容量10W以内。Monoblock滤波器的尺寸在2GHz只有约25mm*6mm*8mm，这对于金属同轴（典型尺寸约400mm*300mm*75mm）有显著降低，是性能向尺寸妥协的一个经典案例。

  而如果将前文的金属波导滤波器内部填充上介质，则称之为介质波导滤波器，其由金属波导形式演进而来，大幅度降低了滤波器的尺寸。滤波器由相互独立的介质波导谐振腔组成，各个腔之间的耦合依靠开窗/缝隙实现，最终依靠焊接将几个谐振腔拼起来构成滤波器。

  后面陆续有学者和工程师将金属波导中的各种技术运用到介质波导中，例如介质波导三模滤波器，通过加载相对介电常数44的陶瓷介质，成功把1800MHz频段的滤波器的最大尺寸降到30mm左右，大幅缩小波导滤波器的体积。但是这种形式的滤波器要实现量产有较高的挑战，一是因需要将几块介质谐振腔拼到一块，需要的精度要求比较高，尤其是在开窗耦合处，否则会影响滤波器的性能；二是调谐困难，会增加调试成本。

  最后再进一步折中，介质波导电容加载滤波器登场，解决了上述两个问题。一是粉体烧制成坯后，将介质表面金属化，单层介质一次成型，无需拼接；二是引入加载电容的盲孔，通过打磨，能轻松实现谐振频率的正向和反向调节。如下图所示，介质波导电容加载滤波器每个谐振腔上有一盲孔，该盲孔在谐振腔中心（电场最强处），引入了比较强的电容。因此打磨盲孔的底部，能大大的提升谐振频率；打磨盲孔的侧壁，能够更好的降低谐振频率，实现双向调节。两个谐振腔的耦合使用开窗或者深盲孔实现。这类滤波器在介质滤波器品类中具有均衡的性能、功率容量和体积、成本，因此应用日益广泛。

  由于目前介质波导电容加载滤波器的广泛应用，学者和工程师们也进行了诸多研究。例如，通过两个垂直的金属化盲孔引入两个非简并的TEM模式，有降低40%尺寸的潜力；将该滤波器技术拓展至四工器，实现了1.8/2.1GHz四工器，与金属同轴四工器相比体积减小了至少4倍；通过盲孔负耦合与通孔寄生耦合的协同作用，在通带两侧可生成对称的传输零点，实现零点的灵活调控等等。

  在《三体-死神永生》中，歌者文明向太阳系发射了二向箔，二向箔能将接触到的三维空间中的一个维度无限蜷缩，导致立体空间塌陷，变成二维平面空间。三体中的二向箔把整个太阳系从三维变成了二维，导致太阳系中的所有生命和物质被毁灭。

  滤波器也有自己的“二向箔”，但不是为了毁灭，而是继续小型化。在一些对高度受限、使用频率较高的场景，我们把介质滤波器“拍扁”，从三维变为二维，就能够获得微带滤波器，再进一步折叠得到多层滤波器。这两类滤波器在需要和板级集成的系统中得到了广泛应用。

  微带滤波器中介绍最普通的开口环谐振器，对于每个谐振单元来说，因其双端开路的边界条件，单元长度为λ/2。两个谐振单元之间依靠缝隙形成耦合。和金属同轴类似，微带滤波器也能够直接进行电容加载—阶梯阻抗微带滤波器，如下图所示，将普通开口环的开路端宽度变宽，电容加载变大，滤波器整体尺寸逐步降低，当然对谐波抑制也有一定优势。

  相关学者在双模/多模微带滤波器上面做了很多工作，使滤波器更紧凑、更容易实现宽带，带外抑制特性更好。例如对环形谐振器的简并模进行微扰来控制传输零点在实轴或虚轴；通过加载双T型短枝节至均匀阻抗谐振器（UIR）实现65%以上的相对带宽。

  微带滤波器虽然在厚度上变薄了，但面积依然很大，如果要实现面积减小，借鉴介质滤波器的方法，可以将PCB衬底从低介电常数的树脂材料变为高介电常数陶瓷材料，同时由于陶瓷材料损耗正切很低因此很适合高频应用，这就是微带滤波器的一个高频应用分支——薄膜滤波器，如下图。

  但上述工作仍不能弥补微带谐振器的Q值相比来说较低（50-200）的缺陷，从前文中也可看出，微带滤波器插损相比介质滤波器进一步恶化。除导体损耗和介质损耗外，相比于封闭腔体又增加了辐射损耗，因此微带滤波器实际应用很受限，仅在大带宽或者仅有远端抑制的场景。为解决该问题，相关学者教授们提出了把波导“二向箔”化的结构—基片集成波导（SIW）。

  典型的SIW滤波器如下图所示，其整体结构由上下层金属、介质板、金属化过孔构成。金属化过孔联同上下层金属构成了近乎封闭的谐振腔，辐射损耗几乎能忽略不计。与微带线不同，SIW的电磁场分布更为均匀，避免边缘场集中导致损耗与功率的限制。SIW滤波器在毫米波频段应用较多，下图给出了38GHz发信机的版图，能够正常的看到整块版图使用了5个SIW滤波器。它提供了尚可的Q值（400左右）和易于集成的结构，与微带、CPW等平面结构的转换也非常方便。

  部分波导中的理解和技术能无缝衔接到SIW中，例如对TE102和TE201模式进行扰动，能轻松实现对传输零点的灵活调控；通过加载金属通孔，对TE模式的频率来控制，实现多模多通带滤波器等等。随着SIW滤波器的应用愈来愈普遍，相信对其的改进也更加天马行空。

  同理，如果嫌SIW滤波器面积大，将其衬底介电常数变高就行，高阻硅因为其低损耗因子和相对高介电常数是一个很好的选择，而且硅片打孔工艺成熟，很适合SIW滤波器，用该工艺做的SIW滤波器被称为硅基波导滤波器或者MEMS滤波器（硅打孔是基于MEMS工艺）常用于高频且对损耗有一定要求的场景，一个必须要格外注意的点是，硅的热膨胀率和PCB差异很大，因此如果当其焊接在PCB上使用时要特别小心可靠性开裂问题。

  有些场景下，人们对三维到二维的“拍扁”得到的体积收益还是不满意，希望进一步缩小。承担这类场景的滤波器主要是LTCC/HTCC滤波器和IPD滤波器。

  高温共烧陶瓷（HTCC）滤波器以及低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器，主要是将“拍扁”之后的二维平面滤波器进行“折叠”，把LC/薄膜类滤波器折成很多层，更近一步的压缩面积。两者的工艺基本相同，都是利用多层陶瓷片的堆叠烧结技术，将传统的微带线或LC滤波器进行“折叠”，将滤波器的尺寸进一步缩小。

  这类滤波器首先将单层电路变成可多达40层的电路，大幅度的增加纵向利用率；其次将介电常数从＜10变成了高可达40，且电路的上下层均为介质覆盖（微带滤波器只有一面是介质，另一面是空气），综合介电常数大幅度提高，因此面积进一步下降。因此，与传统微带线以及介质滤波器相比，LTCC滤波器凭借高密度集成以及灵活的设计多样性在基站、终端设备和航空航天等领域得到普遍应用。

  常用的LTCC滤波器结构大致可分为两大类，集总参数式以及分布参数式，集总参数式损耗更小，设计更灵活，可实现超过70%的相对带宽，但是其陡峭度较差，近带抑制不理想；分布式工作频率更高，可达到毫米波频段，且该结构在同阶数情况下，近端抑制优于集总结构，近带陡峭度好，缺点在于对加工很敏感，对工艺技术要求高于集总式滤波器。

  集总参数式LTCC滤波器将多层螺旋电感以及多层MIM电容印刷在多层陶瓷片上，层与层之间以及电感与电容之间通过金属（银）过孔以及走线D空间内，设计者能够最终靠不同的形式添加LC耦合甚至是二次谐振耦合，形成不同频率的传输零点，设计灵活多变。集总参数结构一般适用于10G以下工作频率。

  分布参数式LTCC滤波器大范围的应用于高频、毫米波以及边带陡峭度需求较高的滤波器设计中。由于器件内部空间小，频率高，采用集总参数结构设计时，独立的电感与电容易产生额外的寄生耦合，破坏滤波器特性，因此当工作频率大于10G或需要较好的边带陡峭度时，一般都会采用1/4λ或1/2λ的带状线耦合结构实现滤波器特性。通过在不同谐振单元之间引入电容耦合，调整信号在不同路径下的相位变化，可在高低频不同位置引入传输零点。如结果图，分布式LTCC滤波器拥有更好的陡峭度，且损耗较小。

  IPD滤波器是另外一种集成度很高的滤波器。IPD（Integrated Passive Device，集成无源器件）是通过集成电路薄膜工艺，在单一衬底（如硅、玻璃等）上直接集成无源器件（电容、电感等），在高频/射频电路、电源管理等有广泛应用。其特点在于，采用半导体工艺，具有非常好的加工精度，在高频下介质损耗低，能够得到更高Q值的电感电容，一致性也非常好；此外很适合定制化需求，并且可与有源器件共同封装。

  IPD的衬底材料，目前常见的有硅、玻璃等；电感及互联过孔、走线，一般是铜金属；MIM电容，常见结构是Al/SixNy/Cu，金属间的介质材料常见的是PI/BCB。厚金属走线um，还能够最终靠RDL技术，实现三层厚金属，减小电感的平面面积；此外，可以在衬底上制作金属化通孔（如TSV/TGV等），实现信号的转接或者立体电感，立体电感的Q值比平面电感有明显优势，进一步提升了die的有效利用率。IPD同样支持多种封装形式，很适合与有源器件集成的SiP方案。

  以N77频段为例，设计目标通常是插损小于2.0dB，同在在2.7GHz、5.18GHz，ISM，2nd Harmonic 频率实现30dB以上的抑制，并且在10GHz左右至少有20dB的抑制。初始设计时，通常是基于电感/电容的频率响应特性，获得需要的给定带宽、中心频率以及带内波动的滤波器。之后，根据IPD的工艺设计的基本要求，调整并实现需要的电感电容值。

  对比LTCC滤波器，LTCC的电容依赖多层陶瓷的物理堆叠，而电感则受限于传统印刷和烧结等厚膜工艺，线um，而IPD采用半导体光刻和薄膜工艺，可通过薄膜材料（如氮化硅）的高介电常数特性，在较小面积内实现较大电容值，而电感线um，并且IPD也能够最终靠多层金属堆叠（如RDL），减少平面占用面积，因此在一些应用下（如N77/N79频段）能做到和LTCC相当甚至更小的面积。劣势是LTCC陶瓷散热会更好，大功率场景更有优势；成熟产品，LTCC大规模生产所带来的成本更低。

  “人不是慢慢老去的，人是一瞬间变老的”。滤波器也能不用慢慢缩小体积，而是一瞬间缩小，只要你深入了解波速v的魔法。

  滤波器的谐振依赖于波长。根据前面提到的波长计算公式λ=v/f，当固定频率f时，在电磁场范围内，v永远在光速附近（电磁波真空波速=光速），因此面积的量级大致恒定。但对于声学滤波器，通过弹性波(声波)进行工作，其声波的波速大致在3000m/s-15000m/s范围，远低于光速的

  ，两者的传播速度相差5个数量级，同样一个1GHz的滤波器，电磁场滤波器的波长为300mm，而声学滤波器仅仅为3-15um，这能够极大程度上降低了滤波器的设计尺寸。

  因此，随着通信技术的发展，特别是随着5G时代的来临，多输入多输出（MIMO）技术的提出，声学滤波器在手机、平板、智能穿戴以及物联网等对尺寸和性能要求很严格的终端产品上开始大量使用，据统计，当前单个手机里面包含多个射频前端接收和发射模组，滤波器的数量超越70颗，绝大部分为声学滤波器，以满足对高性能和极小体积的需求。

  从声波的传播方式上分类，声学滤波器主要包含声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave Filter，简称SAW）和体声波滤波器（Bulk Acoustic Wave Filter，BAW）。其中，声表面波滤波器其声波沿压电性衬底表面传播，根据不同的工艺和衬底结构类型，可大致分为常规SAW滤波器，温度补偿型SAW滤波器（TC-SAW），薄膜型SAW滤波器（TFSAW/IHPSAW）;体声波滤波器中，其声波在上下两电极之间来回震荡，形成驻波，按照其结构的不同，大致上可以分为固态装配型（BAW-SMR），空腔型（FBAR），以及激励兰姆波工作模式的XBAR。

  对于声表面波滤波器，其声波模式的激发为通过独特的叉指电极结构，输入电信号通过ITD电极馈入到压电晶体材料表面，利用逆压电效应在压电晶体表面产生表面波，形成震荡，再物理传递到输出端，再通过压电效应激励起电信号，实现从电信号-机械信号-电信号的相互转换；而体声波滤波器其谐振方式为通过在压电晶体上下表明产生平板电极，声波在压电晶体内部进行传播。物理结构如图所示。

  限于篇幅，本文仅介绍常规的SAW/BAW滤波器拓扑结构为梯形结构。SAW和BAW的物理震荡可以等效为一个LC串联回路+一个静态电容C0（对于SAW来说C0为插指换能器形成的插指电容；BAW的C0是上下金属电极形成的平板电容）。因此，相比传统LC回路，此谐振电路存在两个谐振点（对于串联谐振器，其串联谐振支路形成极点，并联谐振支路形成零点，对于并联谐振器，串联支路形成零点，并联支路形成极点）。

  我们把串并联回路交替的级联起来，就能得到SAW或者BAW滤波器的电路响应图。

  对于普通SAW滤波器，其叉指生长在LT/LN晶圆上，其叉指宽度和厚度决定了频率的上限，受限于常规DUV光刻分辨率，主流实现sub-3GHz以下的频率覆盖。首先，大部分场景激励起来的模式存在向下能量辐射，且压电晶圆下方不存在特殊的高/低声阻抗反射层，因此能量泄露非常严重，其Q值约在600附近；其次，由于LN/LT的热膨胀系数不佳，频率温度飘移严重，导致高温下本就不优的损耗进一步恶化，当大功率信号输入时容易烧毁，故普通SAW滤波器的输入耐受功率在28-30dBm。其优点是LN/LT晶圆成本较低，应用广泛。

  人们未解决普通SAW的损耗偏大、温漂大、功率不佳等问题，引入了温度补偿型SAW滤波器（TC-SAW）。TC-SAW滤波器目前包含两种技术工艺路线：溅射型TC-SAW和键合型TC-SAW。对于溅射型TC-SAW，主要在常规SAW叉指电极上溅射一层较厚的具有负温度系数的SIO2层，能够抵消高低温带来的频率偏移，使得其滤波器的频率温度系数(TCF)远小于常规SAW滤波器。但相较于常规SAW滤波器，复杂化的工艺程序，带来了工艺成本的上升和良率的下降。因此，溅射TC-SAW技术常用于相对要求比较高的双工器设计中。

  键合型TC-SAW，主要是将LN/LT厚度减薄（一般小于20um），在底层键合一层Si或蓝宝石晶圆/尖晶石晶圆。一方面，键合的衬底具有更加好的温漂特性，能够将减薄后的压电材料LT/LN束缚住，降低其温漂；另一方面，键合的衬底相比压电晶圆的阻抗更高，对表面向下泄露声波有一定的反射作用，能提高Q值。最后，键合衬底有着更好的导热能力，配合提升的Q值和更小的温漂，使得TC-SAWAW的功率容量相比普通SAW也有提升。

  为了逐步提升SAW滤波器性能，一种薄膜型滤波器被提出,也被称为TF-SAW或IHP- SAW。这种SAW相较于传统的SAW滤波器和两层键合TC-SAW滤波器结构更复杂，如下图所示，首先是表面的压电材料更薄（一般≤1um），很薄的压电层使得被束缚的能力也逐步提升，温漂更小，达到了＜15ppm，其次压电晶圆下方具备多层结构形成高/低声速阻抗层，具备非常强的反射向下泄露的声波能量的能力，使其能量更加集中在表面，Q值大幅度的提高。Q值的提升，温漂的减小，外加更加薄的表层材料，也使得TF-SAW的功率容量相比于普通SAW和TC-SAW有较大的提升。

  如果有更高的频率要求和更大的功率要求，体声波滤波器BAW则更加合适。如下图所示，固态装配型（BAW-SMR）体声波滤波器主要由上下的平板电极、平板间的压电材料（目前常用为AlN）、以及下方有多层的高/低声速反射层（学名：布拉格反射层）、支撑衬底四个部分所组成。其结构类似于TF-SAW，由于布拉格反射层的强反射，能够使声波能量被束缚在平板电容形成的谐振腔中，具备很高的Q值。

  空腔型BAW（FBAR）则是另一种技术路线，借助空气对声波天然反射能力强的特点，用空腔形成高阻抗层，将能量束缚在平板之间。由于FBAR的空腔对任意声波均是全反射，因此不像SMR-BAW应该要依据波长来调整反射层的厚度，其插损水平与SMR类型比甚至更优，但空气的散热能力较固体介质更差，因此FBAR的功率容量不如SMR-BAW。

  相比于SAW，BAW有几个显著的差异点。优点方面，首先由于其谐振频率决定于平板电容间的压电晶体AlN的厚度，AlN做厚不易（正常≤2um），但是能做薄（最薄100-200nm量级），压电晶体越薄则频率越高，同时AlN的声速相比LT/LN更高，因此BAW能做到7GHz，比SAW具备更高的频率上限。其次，区别于SAW叉指电容细长的特点，平板电容有更高的耐击穿功率，使得BAW的耐受功率普遍更优。

  缺点方面，首先是加工难度，BAW的频率决定于AlN的厚度，我们大家都希望滤波器中每个谐振单元的频率都具备独立调节能力，这样设计灵活性更大，性能更优。相比于SAW的平面结构一次可以做任意多个频率，BAW常规只可以通过增加光刻次数来调整频率（一般4种）。这使得同样难度的滤波器，BAW的光刻次数远大于SAW，带来了成本和工艺控制难度的增加；其次，在1GHz以下，BAW频率较难达到，SAW非常容易；最后，在1-3G这个SAW能达到的区间，普遍BAW的面积更大。

  XBAR(laterally eXcited Bulk Acoustic wave Resonators)滤波器技术是一种基于横向激励体声波的新世代滤波器技术，结合现有的声表面波滤波器的加工工艺，即在压电薄膜表面制作周期性IDT电极，通过IDT电极来激发反对称型兰姆波(A1、A3、A5.......)模态作为工作模态，这种声波模态一般是在较小的归一化压电膜厚下振动，其具备极高的机电耦合系数和声波波速，从而可以在一定程度上完成在超高频段甚至毫米波频段大带宽滤波器的应用，其次XBAR谐振器具有超过500的品质因数(Q值)，使得XBAR滤波器在很宽的通带内具有较低的插入损耗和较高的矩形系数；这为声学滤波器在sub-6G频段、毫米波频段的应用提供了新的解决方案。但是，XBAR滤波器技术依然存在诸多困难和挑战，首先，它的结构(压电薄膜远离IDT电极一侧需要设置空气腔，当然也有SMR型的)决定了需要用MEMS工艺进行制造，滤波器器件的结构稳定性较差，工艺成本很高；其次，组成滤波器拓扑的谐振器单元的频率控制工艺也较繁琐复杂，生产良率整体不高；再者，在XBAR谐振器的禁带内存在很严重的横向模式寄生以及在禁带外一些其他的杂散模态寄生，如何将这些杂散模式进行抑制也是一个具有挑战的课题。

  由于声学滤波器芯片级的设计尺寸，声学滤波器在无线终端、智能穿戴、物联网、智能驾驶、VR/AR设备、农业和云计算等方面有超强的应用前景。声学滤波器正推动着射频前端行业一次新的工业革命。

  在对抗滤波器的不可能三角中，研发人员和工程师们殚精竭虑，不断推动技术往前发展。

  我们把各类滤波器汇总在一起，能够正常的看到更清晰的技术演进脉络，围绕着λ=v/f演进。从极致性能和功率，但体积不优的金属腔体出发，通过介电常数加载，牺牲性能和功率大幅度降低体积，得到介质滤波器；再把介质滤波器三维变二维折叠起来，得到平面滤波器；再把平面滤波器折叠起来，得到的LTCC/IPD滤波器；另辟蹊径绕过电磁场，通过声速大幅度降低波速v，得到声学类滤波器。各类滤波器在不可能三角中进行取舍，去努力适配应用场景，提升网络性能。

  《黑神话-悟空》里，灵吉菩萨说：“人也，兽也，佛也，妖也，众生自有根器，持优劣为次第，可乱来不得。”对滤波器而言，不一样的种类滤波器自有其“根器”，应用视具体场景而定，没有绝对优或者劣，以最合适来排次第，也乱来不得。本文旨在为不同应用场景下的滤波器选型提供参考，最后汇总全篇各类滤波器成下图，希望对读者有所帮助。

  [1].梁昌洪 谢拥军 官伯然.简明微波[M].高等教育出版社,2006.

  [7].黄钰婷.一体化介质滤波器的研究与设计[D].南京邮电大学，i.gnjdc. 2023.000269.返回搜狐，查看更加多