針對4G/LTE智能手機的FBAR濾波器技術

雖然全球手機市場仍然以每季單位數字的速度增長，智能手機的出貨量卻持續激增，隨著新一代手機的推出，智能手機可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的條件下持續提供更多的功能，這些新產品的背后動力來自于新的移動通信網絡，如4G和LTE技術的推出，大多數人已經把具有更快下載速度和更佳移動互聯網體驗與最新服務畫上等號，正如預期，幾乎絕大多數的產業新聞都圍繞在最新型手機的功能上，例如電池續航力、顯示屏的亮度、色彩以及分辨度等，但到底是什么樣的半導體構造方塊帶來如此令人驚艷的產品呢?

現代智能手機中一個非常重要的部分是射頻(RF)濾波器，正如它的基本原理，濾波器主要應用于通過需要并拒絕不要的頻率，以使手機中的許多接收器可以只處理預期的信號。在過去，手機通常只在全球特定地區的少數頻段中工作，然而對于現代化的手機，基本上會在相同時間于多個無線頻段工作，包括移動通信、藍牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望設計出可在全球不同地區和不同電信運營商服務下工作的產品，要讓手機在更多頻段和地區工作代表了手機對射頻濾波的要求越來越高。

在前幾代的無線技術中，濾波要求并不難達成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運營商網絡逐漸演進到CDMA和3G，安華高科技發現公司擁有的薄膜腔聲波諧振器(FBAR)技術非常適合美國PCS和部分其他頻段對于濾波的高挑戰性要求，為了可以利用目前的4G/LTE服務，智能手機本身變得更為復雜，因此手機制造商已經開始擴大采用Avago的FBAR技術來解決以下即將討論4G/LTE所面對的獨特問題。

射頻濾波器挑戰1：可在多個頻段工作的4G/LTE手機

最新的智能手機產品在設計上必須可在全球多個頻段工作，多頻段智能手機的整體尺寸并不會大于前一代，因此如果要在保留給射頻前端電路的相同空間內加入更多的濾波器，那么非常明顯地，濾波器本身必須非常小，藉助Microcap微型封裝技術，FBAR濾波器可以通過芯片級封裝滿足絕大多數的空間受限應用。由于FBAR是基體型材料，因此可以提供非常良好的功率處理能力而不需要使用如SAW濾波器中常見的并行結構，另外，FBAR器件的尺寸也會隨著頻率的提高而縮小，這使得FBAR非常適合目前2300MHz到2700MHz，以及未來3.5GHz的新4G/LTE頻段應用。

也許FBAR技術中最重要的特性是可以支持高挑戰性頻段分配的陡峭濾波曲線以及卓越的帶外抑制能力，圖1是先前提到美國PCS應用的情況，其中上方發射頻率和下方接收頻率間的間隙非常窄，這個特性對于4G/LTE應用而言更為重要，原因是發射和接收頻率間的間隙更窄。除此之外，現今的智能手機也必須在緊鄰現有2G/3G射頻服務的擁擠頻譜內工作，還要避免可能影響甚至中斷數據服務的干擾，通常頻段間的過渡頻率大約在數MHz，有時甚至完全沒有防護頻帶。

圖1 FBAR濾波器響應特性

FBAR濾波器帶來的價值優勢之一可由美國使用的Band 13環境看出，這個由Verizon公司使用作為LTE服務的頻段距離警察、消防和其他應急處理機構使用的新公共安全無線電服務頻段僅2MHz，為了避免干擾PSR運行，LTE標準要求在Band 13頻段上工作的手機必須大幅度降低發射功率，但功率的降低則會明顯影響網絡效率，減少可以服務的用戶數和服務質量，大幅度降低數據吞吐量甚至導致掉線，通過結合帶溫度補償超快速轉折FBAR雙工器和高度線性化功率放大器于環境受到良好控制的集成前端模塊中，Avago創造了一個可以讓Band 13頻段手機全功率工作而不會干擾PSR運行的產品，FBAR雙工器的性能可以說是這類產品的成功關鍵之一。

射頻濾波器挑戰2：運行于更高數據率的4G/LTE智能手機

相較于3G服務，相同數據量下4G/LTE的下載速度大約可以達到10倍，也就是說于同樣時間內可被下載的數據量達到10倍，有幾種方法可以用來實現更高的數據率，4G/LTE會依檢測到的信號強度使用不同的調制方式，簡單地說，信噪比越高，數據率就愈高，如由QPSK轉換成QAM16/64調制。于通過單刀多擲開關結合多個雙工器的多頻段4G/LTE手機上，檢測到的信號可能過低而影響數據率，FBAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號強度，帶來更高的數據吞吐量，從而得到更好的用戶體驗和更高的數據容量。