滤波器在系统中发挥着滤除其他频段和干扰信号的关键作用，主要包括声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器。SAW滤波器主要由压电衬底材料上的两个叉指换能器组成，SAW信号沿压电材料的表面传播，而BAW滤波器通过调整薄膜的厚度来调控频率，能够应用于更高频率的范围。其核心指标包括通带插损、阻带抑制、频带、功率、频率温度系数和尺寸等。为保证通信质量，手机中的每个频段都需要使用滤波器。频谱的拥挤和滤波器数量的增加，对滤波器的综合性能提出了新的要求：更高的Q值、更小的频率温度系数和更小的体积。更高的Q值能够确保滤波器具有更窄的过渡带，从而实现更好的滤波效果；更小的频率温度系数能够减少干扰信号的影响；更小的体积则有助于实现手机的小型化和轻量化，提供更多的电池空间。随着射频技术的迅速发展，射频器件的复杂度和集成度不断提高，单一物理场的分析已无法满足设计和优化的需求。因此，射频器件的多物理场仿真显得尤为重要。射频器件的多物理场仿真能够全面分析其工作特性。

随着第五代移动通信技术（5G）、毫米波雷达探测以及太赫兹通信等无线技术的迅猛进步，加上无人驾驶汽车、物联网和人工智能等应用场景的不断扩展，对无线射频系统在集成度、小型化、轻量化、低功耗和低成本等方面的要求日益提高。对射频（RF）晶体管技术的性能要求也在不断提高。这些要求包括更高的功率、更高的频率和更高的效率，同时还需兼顾低成本和小体积的需求。

微波无线通信技术自问世以来，已经广泛应用于移动通信、全球定位和数据传输等领域，大幅提升了生活便利性，并成为社会进步的重要推动力之一。5G技术的普及更是显著提高了通信网络的传输速率和数据承载能力。传统的射频系统方案，如分立模块和平面集成技术，已经无法满足日益提升的集成需求。因此，射频系统正逐步朝着更高系统集成度的方向发展，目前采用的集成方案包括片上系统（SoC）、多芯片模块（MCM）、系统级封装（SiP）和封装系统（SoP）等。

在射频前端系统中，滤波器作为核心组件，在接收链路和发射链路中都发挥着至关重要的作用，其性能直接影响通信质量。从2G到5G，射频前端中的滤波器数量不断增加。例如，在现代手机的前端系统中，滤波器的数量已经从个位数增加到超过100个。滤波器数量的激增主要有两个原因：其一，移动终端需要支持越来越多的功能，如GPS、蓝牙、WiFi以及3G、4G、5G等，不同功能使用不同的频谱，通常每种功能需要至少两个滤波器或一个双工器；其二，单个滤波器的带宽有限，通常无法覆盖整个通信频段，因此射频前端需要叠加多个不同频率的滤波器以满足宽频段需求。

2滤波器技术原理

为了在单位时间内传输更多的信息，必须提高通信系统的数据传输速率。增加通信带宽是提高数据传输速率的最有效手段之一。5G的数据传输速率（1 Gbps）相比于4G提高了一个数量级，这主要得益于频段数量的增加（从4G的十几个增加到30个以上），以及多输入多输出、载波聚合和分集接收等技术的应用，这些技术有效整合了多个频段，使得系统的瞬时通信带宽从十MHz级别提升到百MHz级别。在手机中，除了通信频段的快速增加外，还有WiFi、蓝牙和导航等应用频段的增加，使得频谱变得愈发拥挤，频段间的信号干扰成为通信系统必须解决的关键问题。

然而，由于低频资源（600 MHz ~ 3 GHz）几乎被完全占用，通信频段的扩展逐渐转向高频区域。目前，5G的sub-6 GHz频段已经扩展到6 GHz，其中新增的N77和N78频段的带宽分别为900 MHz和500 MHz。随着通信技术的不断发展，对频率和带宽的需求也在不断增加，这对通信设备的多功能性和集成化提出了新的挑战，进一步加大了射频器件的设计难度。

滤波器在系统中发挥着滤除其他频段和干扰信号的关键作用。其核心指标包括通带插损、阻带抑制、频带、功率、频率温度系数和尺寸等。目前，滤波器不仅广泛应用于民用领域，也在电台、制导、遥测遥控、相控阵雷达以及电子对抗等领域中发挥重要作用。为保证通信质量，手机中的每个频段都需要使用滤波器。频谱的拥挤和滤波器数量的增加，对滤波器的综合性能提出了新的要求：更高的Q值、更小的频率温度系数和更小的体积。更高的Q值能够确保滤波器具有更窄的过渡带，从而实现更好的滤波效果；更小的频率温度系数能够减少干扰信号的影响；更小的体积则有助于实现手机的小型化和轻量化，提供更多的电池空间。

声学滤波器通过将电信号转换为声信号，在声学域完成信号处理后，再将声信号转换为电信号，从而实现对电信号的滤波功能。与传统的LC、介质和腔体滤波器相比，微声滤波器由于在传输方程中引入了多个传输零点，具有更高的Q值和更好的滤波性能。同时，由于声波的波长仅为电信号的十万分之一，微声滤波器的体积比电学滤波器小得多，因此能够兼顾高性能和小体积。从2G时代（如诺基亚手机）开始，微声滤波器已经在手机中得到广泛应用，年出货量超过300亿只。

微声滤波器主要包括声表面波（SAW）滤波器和体声波（BAW）滤波器两种类型。SAW滤波器主要由压电衬底材料上的两个叉指换能器组成，SAW信号沿压电材料的表面传播，而BAW滤波器通过调整薄膜的厚度来调控频率，能够应用于更高频率的范围，如K波段的18 GHz。BAW滤波器不仅能满足低频和高频需求，还因其连续电极结构能够承载更高的功率，在民用和军事领域均具有广泛的发展前景。

大带宽滤波器能够覆盖更多的频段，显著减少射频前端系统中所需的滤波器数量，对精简射频前端系统尺寸具有重要作用。因此，提高BAW滤波器带宽一直是滤波器产业界的研究热点。在5G时代，射频前端系统对高频、大带宽和小尺寸的BAW滤波器需求尤为迫切。然而，由于BAW滤波器的结构复杂程度远高于SAW滤波器，其技术难度也更大。加之我国对BAW滤波器的相关研究起步较晚，国内BAW滤波器产业驱动力不足，市场份额基本被美国的博通、Qorvo和日本的太阳诱电等美日企业垄断。在国内开始关注BAW滤波器时，国外厂商早已完成了BAW滤波器的产业化生产，并构建了完整的专利壁垒。几十年的差距已经导致BAW滤波器产业形成了较高的技术壁垒。近年来，美国对华芯片领域的技术封锁愈加严密，我国5G发展受到严重制约，发展自主可控的宽带BAW滤波器已成当务之急。无论从技术发展还是市场导向出发，都需要研发宽带BAW滤波器，以助力我国通讯设备更新换代，推动BAW滤波器芯片的国产化进程。

BAW滤波器主要包括固态反射型谐振器和空腔型体声波谐振器两种。这两种滤波器的核心都是由两个金属电极夹着压电薄膜形成的三明治结构换能器。其工作原理是：当电信号施加到换能器上后，由于压电薄膜的逆压电效应，电信号被转换为声信号，声信号分别朝换能器的上下方向传播，由空气或其他结构形成的反射界面对声信号进行反射。换能器的结构参数决定了只有满足驻波振荡条件的声信号可以不断增强，而其他信号在多次反射过程中由于相位不同而相互抵消，从而实现对特定声信号的选择。最后，通过压电薄膜的压电效应，将形成驻波的声信号转换成同频的电信号，从而实现对电信号的滤波。SMR结构和FBAR结构如图1-3所示。

SMR（悬浮膜声波共振器）和 FBAR（薄膜体声波共振器）结构的差异导致了它们在性能上的不同。SMR 结构的上反射层为空气，下反射层由多层低阻抗层和高阻抗层交替构成，每层薄膜的厚度均为声波波长的四分之一，基于布拉格谐振腔原理工作。由于 SMR 结构的下反射层中各层薄膜对声波的反射效率较低，声波能量部分会沿反射层和衬底泄露，因此采用该结构的器件损耗较大。然而，SMR 的优势在于其散热通道为固体介质，因此能够承受较高功率。相比之下，FBAR 结构的上下反射层都是空气，几乎实现了全反射，因此器件损耗较小，但其散热通道为空气介质，功率承受能力相对较弱。基于这些特点，SMR 滤波器主要应用于对高功率有较高要求的基站类场合，而 FBAR 滤波器则更适用于对低损耗有较高要求的手机终端和武器装备等领域。

SAW滤波器和BAW滤波器各自的工作原理及类型已有简要介绍。SAW滤波器在低频和成本方面更具优势，主要应用于2G、3G和4G移动通信。相比之下，BAW滤波器具有更高的Q值、工作频率、矩形度和功率耐受力，以及更低的频率温度系数，还更易于集成，因而主要用于高频且对矩形度要求较高的频段。

随着通信系统和武器装备的发展，对BAW滤波器提出了高频化、小型化和高温度稳定性的要求。FBAR滤波器作为BAW滤波器的一种，因其在高频化和小型化方面的显著优势，在移动通信和武器装备中占据重要地位。然而，FBAR滤波器的频率温度系数较大（-25~-30 ppm/℃），对窄带滤波器在恶劣环境下的应用可能导致系统保护带宽增加，带外抑制能力减弱，进而增大进入接收机的干扰信号，降低设备的整体灵敏度，难以满足通信设备和武器装备在恶劣环境下对滤波器高灵敏度的要求。因此，为降低频率温度系数需通过增加温度补偿层将其控制在较低范围内。

随着系统集成技术的不断进步，小型化、低功耗、高集成度的无线通信系统在各个领域的应用愈发广泛。在系统设计中，为了最大限度地利用空间资源并减少馈线过长带来的能量损耗，芯片、硅通孔、集成电路和天线等各种有源和无源器件常常需要集成在有限尺寸的封装体内。这种情况下，尽管系统的总输入功率可能有所降低，但由于整体尺寸的进一步缩小，单位体积内的热功率反而增加，容易导致器件性能下降，甚至可能引发系统故障或严重损坏。

特别是在高温环境下，芯片性能会显著退化，主要表现为两方面问题：一方面，高温会导致热熔断、热应力击穿和电迁移失效，严重影响芯片的可靠性和使用寿命；另一方面，高温产生的随机电压噪声和时钟偏移也会大幅降低系统性能。因此，在实际设计中必须综合考虑系统的散热性能，为了有效散发多余热量，通常会引入额外的散热结构。散热结构通常采用导热性能良好的金属材料，鳍片式金属散热片便是常见的选择。然而在实际应用中，金属散热片往往紧邻集成电路，容易与裸露的互连线、天线等射频器件发生电磁耦合，导致电磁兼容性问题，进而引起能量损耗或额外噪声。尤其对于集成天线的系统，金属散热片的寄生辐射可能会恶化天线性能，严重干扰无线系统的正常工作。

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滤波器芯片的电磁-力-阻尼-热仿真

射频滤波器芯片是通信系统中十分关键的器件芯片，具有选择信号工作频率的作用，针对在5G商用已逐步铺开而6G技术正加速定型的当下，人工智能（AI）、无人驾驶等新兴应用不断取得突破，各行各业对无线通信以及射频滤波器技术的高速率、大带宽、高抑制、低插损等性能指标提出更高要求。安徽大学陈士涛团队开展射频MEMS滤波器芯片多物理场建模仿真技术研究。图1给出射频前端电路组成和射频滤波器芯片样品。

一、光学MEMS微镜芯片多物理场力-电磁-阻尼耦合效应分析

光MEMS微镜是利用微纳加工技术将微型光学元件和MEMS执行器进行集成制造，与传统光学元件相比具有体积小、成本低、动态特性好、寿命长等优点，MEMS微镜的出现开启了一些列高价值的技术应用，如车载MEMS激光雷达、激光投影显示、AR/VR、可调谐智能光通信器件等。光MEMS微镜芯片结构版图及多物理场力-电磁-阻尼-热耦合仿真结果。

二、基于FDTD方法的多物理场力-电磁耦合算法开发

围绕压电材料的本构关系、静电场方程和固体力学方程的强相互耦合作用，陈士涛老师团队开发一套三维的FBAR谐振器及一阶BAW滤波器的仿真工具。如下图所示：

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总结

射频器件的设计与优化在现代通信系统、雷达、医疗设备和电子战等领域中具有关键意义。随着5G通信技术的快速发展，手机朝着轻薄化和小型化方向演进。在4G/5G手机的射频模块中包含有数十个射频滤波器，因此滤波器的体积成为决定手机尺寸的关键因素之一。目前，SAW滤波器和BAW滤波器已经从最初的表贴陶瓷封装逐步发展为芯片级封装，甚至达到晶圆级封装。为了满足多输入多输出技术和载波聚合技术的需求，滤波器的体积必须进一步缩小，以便手机能够容纳更多的滤波器。标准半导体工艺与BAW射频滤波器使用的衬底、电极等材料和工艺完全兼容，因此BAW射频滤波器能够与混频器和放大器等射频集成电路集成。这使得BAW滤波器的制造需要大量资金投入和高度复杂的技术。从国内外的研究现状和综合性能对比来看，国外的技术水平显著领先于国内，尤其是在高端器件方面表现出明显优势。然而，由于国外对中国高端器件实施禁运，许多企业只能将目光转向国内。因此，为了解决“卡脖子”问题，实现“自主可控”，自主研发高性能的FBAR滤波器已成为当务之急。小型化且具有高温度稳定性的FBAR滤波器是新一代电子系统提升性能、减小体积和重量的关键基础元件，将在我国新一代通信、雷达、电子对抗和识别等移动通信和电子武器系统中广泛应用。

随着射频技术的迅速发展，射频器件的复杂度和集成度不断提高，单一物理场的分析已无法满足设计和优化的需求。因此，射频器件的多物理场仿真显得尤为重要。射频器件的多物理场仿真能够全面分析其工作特性。射频器件在工作时，会涉及到电磁场、热场、机械应力场等多个物理场的耦合作用。例如，射频功率放大器在高功率工作状态下，电磁场和热场的耦合会导致温度上升，而温度的变化又会影响材料的电性能，从而进一步影响器件的射频性能。单一的电磁场仿真无法准确捕捉温度变化对器件性能的影响，因此需要引入热场仿真。

通过多物理场仿真，设计师可以在仿真环境中全面考虑这些物理场之间的耦合效应，从而更准确地预测射频器件的实际工作性能。射频器件在长期工作中，热效应、机械应力等因素可能导致材料老化、器件失效。通过多物理场仿真，设计师可以提前识别潜在的失效模式。例如，热应力可能导致器件内部出现裂纹，影响电流分布和电磁场分布，从而降低器件的性能和寿命。通过在仿真中引入材料的应力-应变关系、热传导模型等，可以预测这些问题的发生，并采取相应的设计优化措施，如改进散热设计、选择更耐高温的材料等，以提高器件的可靠性和使用寿命。此外，多物理场仿真还可以加速射频器件的设计和优化过程。

总之，射频器件的多物理场仿真不仅能够提高器件性能的预测准确性，增强设计的可靠性，还可以大幅缩短设计周期，降低开发成本。因此，在现代射频器件设计中，多物理场仿真已成为不可或缺的重要工具，为射频技术的发展提供了强有力的支持。

铭华商销售团队深耕滤波器行业二十余年，提供各种应用场景的解决方案。Rose13417386540