市场观察|5G毫米波滤波器

无滤波器做不出5G手机

最近发布的华为P50系列有两个版本的芯片配置：高通骁龙 888和麒麟9000 soc。不幸的是，P50系列的设备都不支持5G，它们只支持4G网络。这一举措的影响已经在市场上显现出来。这是因为，用户认为旧型号的5G智能手机比新一代的4G智能手机更好。

目前华为因为芯片代工技术限制这一问题很难解决，P50不支持5G的主要原因是美国的禁令。5G设备有两种声波——表面声波(SAW)和体声波(BAW)。其中，由于性能、技术等多种原因，体声波(BAW)是5G手机的首选。数据显示，在体声波(BAW)市场，美国Broadcom (Broadcom, AVAGO)占全球市场的87%。

此外，另一家美国半导体公司Qorvo占据了8%的市场份额。这意味着体声波(BAW)全球市场的95%来自美国公司。此外，表面声波(SAW)还被美国和日本垄断。Murata和TDK等公司牢牢控制着市场，全球市场份额接近70%。

这意味着5G射频芯片核心滤波器的主要技术来自美国。从目前来看，5G射频高度垄断。正是这一步，华为无法绕过，导致华为P50系列的5G缺失。

射频滤波器技术是我国科技的薄弱部分。国内滤波器市场空缺，常年依赖进口。掌握核心技术，实现国产化已成必然趋势。

随着蜂窝移动技术的发展，移动带宽不断增加，频段也越来越多。这些带宽中的每一个频段都需要一个滤波器来将其信号与其他频段分开，但目前用于手机的滤波器技术可能无法扩展到 5G 中的整个毫米波 (mmWave) 范围。毫米波时代现在还未到来。

当下手持设备行业中，SAW 和 BAW 滤波器占据主导地位。虽然它们可能随着进一步改进而扩展到 6 GHz 范围之外，但距离毫米波设计需要运行的 28 至 70 GHz 范围，还有很长的路要走。

其实，在不受限于以体积大小的设备上，已经存在一些解决方案——但这些方案并不适用于手机，这就是目前需要发展的地方。

移动通信技术每更新一代，都会有更多的频段被开发使用。随着频段数量的激增，所需的滤波器数量也呈爆炸式增长。今天智能手机中的滤波器的数量已经超过了60个，而 5G 时代这一数字将进一步提高，以便为毫米波频段增加更高的频率。

然而，手机提出了苛刻的小尺寸要求。在可预见的未来，小型滤波器的最佳频率可能是 28 GHz，因为这是手持设备中可能使用的毫米波频率，更高的频率更有可能用于塔对塔通信，这些系统不像手机那样受空间限制。

广泛应用于手机的声波滤波器

当今手机中的大多数滤波器都使用声波技术，这一技术设计压电材料在电场影响下的轻微变形，以及物理变形后产生电场。因此，电信号可以转换为机械振动，机械振动也可以转换为电信号，这些机械振动相当于晶体内的声波。

通过建立一种声学谐振结构，可以将输入信号施加到谐振器的一端。该输入信号由许多不同频率的信号组成——有些是用于其他频段的信号，而有些则是环境噪声。滤波器的首要任务是消除通带之外的任意信号。

通带内的信号频率分量将引起声学共振，接着声波滤波器检测到这些声学共振并将其转换回滤波器另一端的电域。理想情况下，该输出将由所有被清除了不必要频率的输入信号组成。

这些声波滤波器有很多优点，包括通带干净、尺寸非常小和成本结构有利，尤其是高产量的制造业降低了成本。

在较低频率下，表面声波 (SAW) 滤波器占主导地位，使用这些滤波器，材料表面的波被激发，并耦合到同一表面附近的输出端。

对于更高的频率，体声波 (BAW) 滤波器则占主导地位，与低频率下的 SAW 相反，不是在材料表面激发波，而是利用了大量材料从顶部到底部共振，输出电极位于下方。这需要更复杂的处理，因此它们往往比 SAW 滤波器更昂贵。

BAW 滤波器有两种基本版本，区别在于内部驻波的设置方式。

一个版本需要从底部到顶部进行反射，并且使用独立式谐振器 BAW (FBAR) 滤波器和空气腔完成这项工作。

另一个版本使用一系列看起来像声学镜（类似于光的布拉格反射器）的层，被称为固体安装谐振器 (SMR) BAW 滤波器。

SAW 和 BAW 滤波器都是使用 MEMS 加工技术制造的，但它们似乎在更高的频率下开始失效了，这表明该行业可能需要为毫米波频段寻找新的滤波器。接下来出现了FBAR、XBAR、微带滤波器.....等。而对于 5G，必须对更多频段进行更加的严格过滤，而且能让它们装入移动手机。

现在，毫米波滤波器新的有趣技术和令人兴备的可能性层出不穷，但这些新兴的过滤技术仍没有成为真正奏效的赢家。

注：本文部分技术信息来自《The Search For 5G MmWave Filters》作者：布赖恩·莫耶