5G时代，FBAR 滤波器是否还有发展空间

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在之前的文章中，我们详细介绍过关于 声波滤波器的一些基础知识，声波滤波器主要包括表面波滤波器SAW，和体声波滤波器BAW，其中体声波滤波器，又有一个发展——薄膜声波滤波器FBAR。

关于5G，我们也介绍过很多次。5G这次变革不仅仅是移动通信制式的升级，其对射频器件的影响也很大，尤其在射频前端，比如介质波导滤波器的大规模应用，和大规模天线系统的应用。今天我们通过一篇关于博通Broadcom的采访，看一下 FBAR 在5G及以后有什么更大的应用和发展？

5G 移动通信是通过更高频段的开放和频段重组来实现的。这导致需要新组件，这些组件必须满足对插入损耗、更宽的带宽和更陡峭的带外抑制的更严格要求，同时始终确保以更低的成本实现更小的占位面积。尽管已经尝试了许多滤波技术，但未来是通过当前 SAW、BAW 和 FBAR 滤波技术的不断增量创新来实现的。Broadcom 是手机射频前端滤波器的市场领导者。

Yole Développement (Yole) 的技术和市场分析师 Cédric Malaquin与FBAR 技术总监 Rich Ruby和Broadcom 的首席技术策略师 William Muller 进行了讨论。

访问过程记录如下：

Cédric Malaquin (CM)：您能否向我们的读者介绍一下您在博通的职位和使命？

William Muller (WM)：我使用首席技术战略家这个头衔。我的简介是随时了解手机射频前端 (RFFE) 领域的发展，以帮助指导我的部门分配资源的位置。为此，我与服务提供商和监管机构就方向问题（他们的需求，我们的能力）以及作为包括 3GPP 在内的标准机构的代表进行交流。

Rich Ruby (RR)：我是 FBAR 的技术总监。FBAR（薄膜体声波谐振器）是 Broadcom 的体声波 (BAW) 压电滤波版本。我一直在寻找“颠覆性”的方法来改进我们的产品（尺寸、成本、性能），并密切关注我们为手机市场开发的技术的正交应用。

CM：请介绍一下博通、它的产品和公司的目标市场？

WM：Broadcom 是一家多元化的公司，通常专注于通信市场、企业存储、工业和企业软件的技术。Rich 和我工作的无线半导体部门专注于为 RFFE 开发多技术模块。我们的客户是领先的手机制造商。

CM：您能否描述一下博通上一年（2018 年）的总体情况？

WM：博通是一家上市公司。您可以查看提交的财务结果。我会说“好”。

CM：在您看来，5G 在非独立模式（即 LTE 和 5G 的双连接）下的影响是什么？

WM：看来大多数早期 5G 部署将是非独立 (NSA)。这在很大程度上是由经济驱动的，因为转换为 5G 核心可能需要大量投资。NSA 允许通过 NR 链路（NR 是 5G 空中接口）发送数据，而网络控制是通过 LTE 链路（LTE 是 4G 空中接口）完成的。这种双连接（DC，或 3GPP 中的 EN-DC）允许现有的 4G 网络控制运行，但仍然利用 5G 的频谱优势进行数据传输。如果没有这种能力，5G 的部署会慢得多。

根据定义，NSA 意味着必须维护两个链接才能进行呼叫。同时进行两次传输可能会导致重大的操作挑战，因为信号可能会以减弱甚至阻止接收的方式进行交互。因此，NSA 在线性方面面临更多挑战，并且更需要隔离信号。这增加了高抑制滤波的效用，以最小化交互，以及复用，以共享天线端口。共享天线在 5G 下变得更加重要，因为某些频段的标准要求 4×4 MIMO（多入多出），这意味着必须使用 4 个接收天线。

CM：博通是否希望在过滤技术方面进行颠覆性创新，以解决手机中不断增加的过滤器数量问题，而无需额外空间和价格溢价？

WM：根据定义，破坏性变化很难预料。但是，我相信当前技术的持续发展比任何破坏性变化更有可能。已安装的技术基础似乎非常有能力支持迄今为止为 5G 确定的要求。到目前为止，我们已经能够将每个频段所需的占位面积每年缩小约 15-20%，从而补偿增加的功能。成熟的大批量工艺通常也比全新的工艺成本更低。由于可调方案固有的选择性降低，因此需要多个同时连接意味着可调滤波不是解决方案。我想说 5G 的最大挑战不是来自我们有答案的过滤器，而是来自天线，在很多情况下我们没有。

RR：我同意可调滤波器不是答案。由于载波聚合频段的存在，多个可调滤波器必须在各种“已批准”的 CA 频段（例如 CA B1/B3/B7 à CA B25.B66、B30）之间并行切换。

迄今为止，可调谐滤波器甚至还没有表现出从一个频段切换到另一个频段的良好性能。我们还研究了新的导波 SAW（表面声波）设备（有时称为 IHP SAW）。尽管从它们为 SAW 社区带来新生命的角度来看令人兴奋，但鉴于体声学在尺寸或性能方面缺乏优势，我们不希望这项技术具有破坏性。

定期提出 A/D 和 D/A 技术作为一种完全替代滤波器的方法。要实现更换滤波器所需的宽动态范围以及线性度和功率处理能力（并在合理的功率预算下）将极具挑战性。我想说，在接下来的 5 到 10 年里，你会看到越来越多的压电滤波器技术“抛光”到手机中。

我们还研究了使用 FBAR 的新型循环器，但没有看到该技术与手机的交叉点。  

CM：一旦大规模 MIMO 有源天线的功率水平和要求降低到足够低，Broadcom 是否也希望进入基础设施市场？

WM：制作我们提供的那种产品需要一个相当大的团队。到目前为止，我们发现我们做得更好，专注于手机的集成解决方案而不是其他应用程序。很难与手机空间所需的体积竞争。至于降低5G基础设施的功率：也许吧，但早期对128×128元基站的兴趣已经触及网络部署成本的现实，现在对32×32甚至16×16解决方案的兴趣更大。与早先设想的小型蜂窝网络不同，多家运营商预计会推出宏覆盖。因此，相比之下，手机的数量更加引人注目。

CM：您是否认为该行业将向 12 英寸晶圆用于 FBAR 技术？博通在这个话题上的立场是什么？

RR：我们不断评估转向 12 英寸晶圆的可能性。随着 MIMO 为手机添加更多过滤器，过滤器的数量最终可以证明不止一家供应商采用 12 英寸。但是，我亲自参与过多次转换，从 3 英寸到 4 英寸的转换，我可以说这并不容易实现。目前，我们有足够的能力来支持客户的需求。

CM：据您介绍，FBAR 技术是否会处理上述 3.5 GHz 5G NR 频段（N77、N78、N79），这些频段将成为 5G 的主要频段？

WM：首先，意见略有不同。在我看来，声称这些是 5G 的“主要频段”是一种过于简单化的说法。例如，n41 在全球范围内可能比 n77 或 n79 更重要。在美国，许多人认为新的毫米波频段将成为“主要频段”。对我来说，“主要”是部署的反映，我相信 5G 将部署在运营商可用的任何未使用频谱上。然而，我确实同意，在世界的许多地方，包括欧洲，这很可能是在 n78 上。但是，我们不应忘记，传统频段对 5G 仍然很重要，尤其是可能未被充分利用的频段，例如 n28、n71 甚至 n5。

但是为了解决您的问题的要点，FBAR 确实可以为这些新的更高频段提供服务。我们可以使用单个声学滤波器支持 n78 或 n79。我们还可以通过包含 LC 结构和 FBAR 谐振器的混合结构来支持 n77。这种基于 FBAR 的滤波器可以解决 WiFi 频谱的共存问题，在 n78 和 n79 上实现异步操作，并为 n78 操作提供更受保护的环境。我们相信此类解决方案将用于一些被视为增加重要功能的手机。我们不希望这样的解决方案被普遍采用，至少在早期实现中是这样。

RR：我认为所有在 6 GHz 以下使用的滤波器都将使用压电技术或集成无源器件 (IPD)。压电技术将用于需要陡峭滚降和复杂多路复用的地方。在性能不是那么重要的地方，您会看到 IPD 技术。

但一个有趣的问题是 BAW（体声波）滤波器技术在什么频率开始出现故障？我们已经展示了可以解决高达 10 GHz 应用的技术。如果 10 至 20 GHz 区域的频段开放，我们也可以支持该区域。然而，在某些时候，可以在低损耗基板或芯片上图案化足够的滤波器，而且进出封装的寄生损耗也会变得过大。因此，频率并不是 BAW 设备的限制因素，而是替代更简单的技术或集成方案。

CM：是否还有空间在已经高度密集的功率放大器模块中集成更多 FBAR 滤波器？

WM：简而言之，是的。即将出现的技术元素允许在 RFFE 中实现更小的过滤面积。博通在这个方向上做出了重大努力。也适用于允许更密集组装的技术，例如双面组装、更小的禁止区域、更密集的球栅阵列等。我们有几年的清晰路线图来跟踪迄今为止已确定的需求。

RR：我同意。我们正在努力减少进入前端模块的所有组件的面积。鉴于过滤器在当今模块中占据的面积最大，我们努力朝着这个方向进行创新。

CM：根据您的技术专长和您对射频电子行业的愿景，您是否预见到 LTE 手机射频前端中的滤波功能数量会受到限制？

WM：限制来自成本和尺寸，但如前所述，至少对于旗舰手机而言，我们迄今为止能够跟上行业需求。从我们目前看到的情况来看，预期的未来需求不是我们关心的问题。

RR：我曾经写过一篇 Op Ed 文章（2016 年），我预测每部手机大约有 100 个过滤器。今天，旗舰手机有 60 多个滤波器（由分集和 MIMO 模块以及主要前端模块驱动）。我坚信大约 100 个过滤器/电话会发生。而且，我不认为这个数字是一个大问题。如果很明显需要更多数量的过滤器，例如 300 多个过滤器/电话，那么我们将看到针对地理区域（例如亚洲、美洲、欧洲等...）的电话分叉；完全支持主要区域的数据速率，而其他地理区域则较少。

CM：一旦5G网络变得独立，您预计手机的过滤功能会减少吗？

WM：总之，“不”。仍然需要支持传统频段。4G 将在大多数网络中保持活跃，并在更长的时间内保持活跃，早于第一个 SA 网络。5G 还利用了载波聚合 (CA)。因此，我预计在任何可见的未来都不会减少过滤要求。

RR：除了遗留问题之外，设计一个适用于大量国家和服务提供商的单一电话板的想法将始终保持较高的过滤器数量。减少手机频段数量以支持一个国家的一个地区或一个服务提供商的替代方案，开始看起来像早期的“诺基亚模式”，在诺基亚手机出现的高峰期，他们制造和支持 200 多种不同的手机产品.

CM：您想为我们的读者补充一些最后的话吗？

微 信：从 3G 到 LTE 的过渡为智能手机中的高性能声学 BAW 滤波带来了巨大的需求，但仅在 1 到 2 年的网络密集化之后。FBAR 过滤现在满足了这些需求，而且数量非常大。我们在 5G 中看到了一个并行场景。随着滤波器在 MIMO 丰富的 NR 环境中激增，并且随着复用需求的增加以支持新频段的 CA 和 DC，我们预计我们的 FBAR 技术将继续提供一些可用的最高性能解决方案。一些 OEM 和运营商甚至会在他们的第一个智能手机实施中要求高性能 BAW 滤波。凭借扩展的 8 英寸容量、不断努力缩小解决方案尺寸、改进 BAW 性能以及满足 6GHz 及以上要求的能力，Broadcom 完全有能力满足 5G 新无线电时代的需求。

RR：想象一个没有用于射频滤波器的压电谐振器的世界。电话将使用早期的陶瓷滤波器技术（陶瓷双工器为 5 X 5 X30 mm 3体积）。相比之下，Broadcom FBAR 过滤器体积通常要小 3000 到 4000 倍。接下来，想象一个只有 SAW 的压电滤波器的世界。SAW 在 1 GHz 或更低频率附近工作得很好，但很难满足 2 GHz 或更高频率的功率、插入损耗、隔离度和线性度规范。虽然 SAW 用于仅接收应用的较高频率，例如在分集模块中，但功率限制是基本的：SAW 不适用于较高频率的传输。并且需要 Tx 来维护下载链接，例如用于同步。然而，1 GHz 以下的带宽根本不足以为用户提供 100 MHz 带宽并满足每秒千兆位下 载 速 度的目标。仅使用 SAW，即可下载大数据内容（电影、流媒体等）。...) 根本就不是我们词汇表的一部分。FBAR 于 1993 年左右在惠普实验室开始。它是第一个用于蜂窝应用的大容量 BAW 技术；我们于 2001 年推出了第一款独立的 FBAR 双工器。到 2013 年，我们已在每部智能手机中销售。今天，所有高性能智能手机都使用 FBAR 或其他 BAW 技术。简而言之，您可以说 FBAR 是现代智能手机的关键推动者。

受访者

William Mueller拥有 Harvey Mudd College 的 BSE 和加州大学伯克利分校的 MSEE。

William 在 RF 领域拥有超过 45 年的经验，专注于组件级设计和 RF 前端架构。在过去的 34 年里，他一直在 Avantek-HP-Agilent-Avago-Broadcom（同一个工作组，不同名称）工作，目前他是 Broadcom Inc. 无线半导体部门的首席技术战略家。

William 熟悉射频功率放大器和低噪声放大器设计，以及 FBAR 滤波器设计。他活跃于标准机构（3GPP、MIPI）、行业论坛（IWPC、GTI、IEEE）和监管机构（FCC、Ofcom）。

William 在研讨会上发表了大量论文，并拥有三项与 RF 前端组件相关的专利。 

Rich Ruby博士（加州大学伯克利分校）是技术总监，IEEE Fellow。

Rich 于 1984 年加入惠普实验室，从事超导、电子束光刻、X 射线光刻和封装方面的工作。1993 年，他开始研究独立体声波谐振器设备 (FBAR)，此后一直坚持使用该技术。

他为 FBAR 滤波器和双工器的声学特性、可制造性和封装做出了许多贡献。Rich 于 2001 年至 2003 年将第一批 FBAR 双工器 HPMD7901 和 7904 商业化。第一个全硅芯片级封装 FBAR 双工器于 2004 年推出。今天，Avago/Broadcom 每年向移动市场销售超过 20 亿个 FBAR 滤波器.

多年来，Rich 获得了 Samuel Silver 奖、Barney Oliver 奖、Bill Hewlett 奖、CB Sawyer 纪念奖、美国物理研究所物理工业应用奖和最近的加州大学伯克利分校杰出校友。Rich 在 FBAR 设备领域拥有 90 多项专利。

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