FBAR濾波器在5G時代能否還有繼續發展的空間？

聲波濾波器主要包括SAW表面波濾波器和BAW體聲波濾波器。其中，體聲波濾波器有——薄膜聲波開發FBAR濾波器。

我們也多次介紹過5G。 5G的這種變化不僅是移動通信標準的更新，對射頻設備，尤其是射頻前端，如波導介質濾波器的大規模應用、大型天線系統。今天，通過博通博通的采訪，FBAR在5G及以后最重要的應用和發展是什么？

5G移動通信是通過開放更高的頻段并重新安排頻段來實現的。這導致需要新組件必須滿足更嚴格的插入損耗、更寬的帶寬和更顯著的帶外抑制要求，同時始終確保以更低的成本占用更小的空間。盡管已經測試了許多濾波器技術，但未來將通過對當今SAW、BAW 和FBAR 濾波器技術的不斷增量創新來實現。 Broadcom 是移動電話射頻前端濾波器的市場領導者。

Yole Dveloppement (Yole) 市場和技術分析師Cdric Malaquin 與FBAR 技術總監Rich Ruby 和Broadcom 首席技術策略師William Muller 進行了交談。

訪問過程記錄如下：

Cdric Malaquin (CM)：您能告訴我們的讀者您在博通的角色和使命嗎？

威廉穆勒（WM）：我使用首席技術戰略家的頭銜。我的簡介是隨時了解移動射頻接口（RFFE）領域的發展，以幫助指導我的部門將資源分配到哪里。為此，我就治理問題（他們的需求、我們的能力）以及作為標準機構（包括3GPP）的代表聯系了服務提供商和監管機構。

Rich Ruby (RR)：我是FBAR 的技術總監。 FBAR（薄膜體聲波諧振器）是帶有Broadcom 壓電體聲波(BAW) 濾波器的版本。我一直在尋找“顛覆性”的方法來改進我們的產品（尺寸、成本、性能），并密切關注我們為手機市場開發的技術的正交應用。

CM：請介紹博通及其產品和公司的目標市場。

WM：Broadcom 是一家多元化的公司，通常專注于通信、企業存儲、工業和企業軟件市場的技術。 Rich 和我工作的無線半導體部門專注于為RFFE 開發多技術模塊。我們的客戶是主要的手機制造商。

CM：您能描述一下博通去年（2018 年）的總體情況嗎？

WM：博通是一家上市公司。您可以看到發送的財務結果。我會說“好”。

CM：在您看來，5G 對非自治模式（即LTE 和5G 的雙連接）有何影響？

WM：似乎大多數第一個5G 實施都不會是獨立的（NSA）。這在很大程度上是由經濟驅動的，因為切換到5G 核心可能需要大量投資。 NSA 允許通過NR 鏈路（NR 是5G 空中接口）發送數據，并通過LTE 鏈路（LTE 是4G 空中接口）完成網絡控制。這種雙連接（3GPP 中的DC 或EN-DC）允許現有4G 網絡控制運行，但仍然利用5G 頻譜的優勢進行數據傳輸。如果沒有這種能力，5G 部署會慢很多。

根據定義，NSA 意味著必須保持兩個鏈接才能進行呼叫。同時進行兩次傳輸可能會導致重大的操作挑戰，因為信號可能會以削弱甚至阻止接收的方式進行交互。因此，NSA 在線性方面面臨更多挑戰，需要隔離信號。這提高了高抑制濾波的有效性，以最大限度地減少交互和復用以共享天線端口。共享天線在5G下變得更加重要，因為某些頻段的標準要求44 MIMO（多入多出），這意味著必須使用4個接收天線。

CM：博通是否希望在過濾技術方面進行顛覆性創新，以解決手機中過濾器數量不斷增加的問題，而無需額外的空間和價格溢價？

WM：根據定義，破壞性變化很難預測。但是，我相信當今技術的持續發展比任何破壞性變化都更有可能。已安裝的技術基礎似乎非常有能力支持迄今為止為5G 建立的要求。到目前為止，我們已經能夠將每個頻段所需的空間每年減少大約15-20%，以補償增加的功能。大批量成熟工藝通常也比新工藝便宜。由于可調解決方案固有的選擇性降低，需要多個同時連接意味著可調濾波不是解決方案。我想說，5G最大的挑戰不是我們有答案的過濾器，而是天線，在很多情況下我們沒有。

RR：我同意可調過濾器不是答案。由于載波聚合頻段的存在，多個可調濾波器必須在各種“認可”的交流頻段（例如，CA B1/B3/B7 CA B25.B66、B30）之間并行切換。

直到現在，可調諧濾波器在從一個頻段切換到另一個頻段時還沒有表現出良好的性能。我們還研究了新的導波SAW（表面聲波）裝置（有時稱為IHP SAW）。雖然從它們為SAW 社區帶來新生命的角度來看令人興奮，但鑒于缺乏體積或性能優勢，我們不希望這項技術具有破壞性。

A/D 和D/A 技術被定期提出作為一種完全更換過濾器的方法。實現更換濾波器所需的寬動態范圍、線性度和功率處理能力（并具有合理的功率預算）將極具挑戰性。我的意思是，在接下來的5 到10 年內，你會在手機中看到越來越多的“拋光”壓電濾波器技術。

我們還研究了一種使用FBAR 的新型環行器，但我們沒有看到這項技術與手機的交集。

CM：一旦大規模MIMO有源天線的功率水平和要求降低到足夠低的水平，博通是否也希望進入基礎設施市場？

WM：制作我們提供的產品類型需要相當大的團隊。到目前為止，我們發現通過專注于移動電話的嵌入式解決方案而不是其他應用程序，我們做得更好。很難與手機空間所需的體積相抗衡。關于降低5G基礎設施的功耗：或許吧，但最初對128128元基站的興趣已經觸及了網絡實施成本的現實，現在對32x32甚至16x16的解決方案產生了更大的興趣。與之前設想的小型蜂窩網絡不同，運營多家企業有望引入宏覆蓋。因此，另一方面，手機的數量更為驚人。

CM：您認為行業會使用12 英寸晶圓用于FBAR 技術嗎？博通在這個問題上的立場是什么？

RR：我們一直在評估切換到12 英寸晶圓的可能性。隨著MIMO 為手機增加更多的濾波器，濾波器的數量最終可以表明不止一家供應商使用12 英寸。不過，我親自參與了很多3英寸到4英寸的轉換，可以說這并不容易實現。今天，我們有足夠的能力來滿足客戶的需求。

CM：根據您的介紹，FBAR 技術是否會處理較舊的3.5 GHz 5G NR 頻段（N77、N78、N79），這些頻段將成為主要的5G 頻段？

WM：首先，意見略有不同。在我看來，說這些是5G 的“主要頻段”是過于簡單化了。例如，n41 在全球范圍內可能比n77 或n79 更重要。在美國，很多人認為新的毫米波頻段將成為“主頻段”。對我來說，“主要”是實施的反映，我相信5G將在運營供應商可用的任何未使用頻譜上推出。但是，我同意在世界許多地方，包括歐洲，它可能是n78。但是，我們不能忘記，傳統頻段對于5G仍然很重要，尤其是可能未被充分利用的頻段，例如n28、n71甚至n5。

但是為了解決這個問題，FBAR 可以為這些新的更高頻段提供服務。我們可以使用單個聲學濾波器來支持n78 或n79。我們還可以通過包括LC 結構和FBAR 諧振器的混合結構來支持n77。這種基于FBAR的濾波器可以解決WiFi頻譜共存問題，對n78和n79進行異步操作，為n78操作提供更受保護的環境。我們相信這種類型的解決方案將用于一些被認為添加重要功能的手機。我們不希望這樣的解決方案被普遍采用，至少在早期實現中是這樣。

RR：我認為在6 GHz 以下使用的所有濾波器都將使用壓電技術或集成無源器件(IPD)。當需要急劇衰減和復雜的多路復用時，將使用壓電技術。在性能不是那么重要的地方，您會看到IPD 技術。

但一個有趣的問題是，BAW（大規模聲波）濾波器技術在什么頻率開始失效？我們已經展示了可以解決高達10 GHz的應用的技術，如果10-20 GHz區域的頻段是開放的，我們也可以支持該區域。但是，在某些情況下，可以在低損耗芯片或基板上建模足夠多的濾波器，而封裝內外的寄生損耗會太大。因此，頻率不是BAW 設備的限制因素，而是更簡單的技術或集成方案的替代方案。

CM：是否還有空間將更多FBAR 濾波器集成到已經非常密集的功率放大器模塊中？

WM：簡而言之，是的。下一個技術元素允許在RFFE 中使用更小的過濾面積。博通在這個方向上做了很大的努力。它也適用于允許更密集組裝的技術，例如雙面組裝、更小的禁區、更密集的球柵陣列等。幾年來，我們制定了清晰的路線圖來跟蹤迄今為止已確定的需求。

RR：我同意。我們正在努力減少所有組件進入前端模塊的面積。由于濾波器在當前模塊中占據的面積最大，我們努力朝這個方向進行創新。

CM：基于您的技術經驗和您對射頻電子行業的愿景，您是否預計LTE手機射頻前端的濾波功能數量會受到限制？

WM：限制來自成本和尺寸，但如上所述，至少對于旗艦手機而言，到目前為止，我們已經能夠跟上行業需求。從我們目前看到的情況來看，預期的未來需求不是我們關心的問題。

RR：我曾經寫過一篇Op Ed 文章（2016 年）并預測每部手機大約有100 個過濾器。如今，旗艦手機擁有60 多個濾波器（由分集和MIMO 模塊以及主要前置模塊驅動）。我堅信會發生大約100 個過濾器/調用。另外，我不認為這個數字是一個大問題。如果很明顯需要更大數量的過濾器，比如300+過濾器/手機，那么我們將查看地理區域（例如亞洲、美洲、歐洲等）的電話叉；全面支持主要地區數據速率，而其他地理區域則較低。

CM：一旦5G網絡獨立，你預計手機的過濾能力會下降嗎？

WM：簡而言之，“不”。仍然需要支持傳統頻段。 4G 將在大多數網絡上保持活動狀態，并且會在第一個SA 網絡之前保持活動狀態更長的時間。 5G 還利用了載波聚合(CA)。因此，我預計在可預見的未來過濾要求不會有任何減少。

RR：除了開放性問題，設計一張適合大量國家和服務提供商的單一電話卡的想法總是會保留大量的過濾器。減少手機頻段的數量以支持一個國家、地區或替代服務提供商開始看起來像早期的“諾基亞模式”。在諾基亞手機出現的高峰期，他們制造并支持了200 多種不同的手機產品。

CM：你想為我們的讀者補充一些最后的話嗎？

微信：3G向LTE的過渡，給智能手機帶來了對高性能聲波BAW濾波的巨大需求，但需要1到2年的網絡密集化。 FBAR過濾現在滿足了這些需求，而且數量非常多。我們已經看到了5G 中的并行場景。隨著濾波器在MIMO 豐富的NR 環境中激增，并且隨著多路復用要求的增加以支持新頻段中的交流和直流，我們希望我們的FBAR 技術繼續提供一些可用的最高性能解決方案。一些OEM 和運營供應商甚至會在您的智能手機首次部署時要求高性能BAW 過濾。博通擴大8英寸容量，繼續努力縮小方案，提升BAW性能，滿足6GHz及以上要求，完全有能力滿足5G無線電新時代的需求。

RR：想象一個沒有用于射頻濾波器的壓電諧振器的世界。這款手機將采用早期的陶瓷濾波器技術（陶瓷雙工器的體積為5 X 5 X 30 mm 3）。相比之下，Broadcom FBAR 濾波器通常要小3,000 到4,000 倍。接下來，想象一個只有SAW 壓電濾波器的世界。 SAW 在1 GHz 或更低頻率下工作良好，但在2 GHz 或更高頻率下很難滿足功率、插入損耗、隔離度和線性度的規范。盡管SAW 僅用于接收更高頻率的應用，例如在分集模塊中，但功率限制是基本的：SAW 不適用于更高頻率的傳輸。并且您需要Tx 來保存下載鏈接，例如用于同步。然而，1GHz以下的帶寬根本不足以為用戶提供100MHz的帶寬，滿足每秒千兆下載速度的目標。只需SAW，您就可以下載大數據內容（電影、流媒體等）。) 根本不是我們詞匯表的一部分。 FBAR 于1993 年左右在惠普實驗室開始。它是第一個用于蜂窩應用的高容量BAW 技術；我們在2001 年推出了第一臺獨立的FBAR 雙工器。到2013 年，我們已經銷售了所有智能手機。今天，所有高性能智能手機都使用FBAR 或其他BAW 技術。簡而言之，您可以說FBAR 是現代智能手機的關鍵推動因素。

被調查

William Mueller擁有Harvey Mudd College 的BSE 和加州大學伯克利分校的MSEE。

William 在RF 領域擁有超過45 年的經驗，專注于組件級設計和RF 接口架構。在過去的34 年里，他一直在Avantek-HP-Agilent-Avago-Broadcom（相同的工作組，不同的名稱）工作，目前是Broadcom Inc. 無線半導體部門的首席技術策略師。

William 熟悉射頻功率放大器和低噪聲放大器的設計，以及FBAR 濾波器的設計。積極參與標準機構（3GPP、MIPI）、行業論壇（IWPC、GTI、IEEE）和監管機構（FCC、Ofcom）。

威廉在研討會上發了很多論文，擁有三項與射頻前端組件相關的專利。

Rich Ruby博士（加州大學伯克利分校）是IEEE的技術總監和成員。

Rich 于1984 年加入惠普實驗室，從事超導、電子束光刻、X 射線光刻和封裝方面的工作。 1993 年，他開始研究單聲道聲波諧振器(FBAR) 設備，此后一直在使用這項技術。

他對FBAR 濾波器和雙工器的聲學特性、可制造性和封裝做出了許多貢獻。 Rich 于2001 年至2003 年銷售了一批HPMD7901 和7904 FBAR 雙工器。第一個全硅芯片級分組級FBAR 雙工器于2004 年推出。今天，Avago/Broadcom 的銷量超過20 億FBAR 過濾器每年都會進入移動市場。

多年來，Rich 獲得了Samuel Silver 獎、Barney Oliver 獎、Bill Hewlett 獎、CB Sawyer 紀念獎、美國物理學會工業應用獎，最近還獲得了加州大學伯克利分校的杰出校友。 Rich在FBAR設備領域擁有90多項專利。腔體濾波器,晶體濾波器,介質濾波器,腔體雙工器,腔體合路器,聲表濾波器,高穩晶振,低相噪晶振,恒溫晶振OCXO,溫補晶振TCXO,時頻模塊,授時守時模塊,時鐘模塊

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