2020年1月，Wi-Fi聯(lián)盟正式宣布開放6GHz頻段(5925MHz－7125MHz)，并將其命名為Wi-Fi 6E。2020年4月，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)投票通過將6GHz頻譜劃為免許可頻段供Wi-Fi使用，這標(biāo)志著Wi-Fi正式進(jìn)入“三頻”時(shí)代——除Wi-Fi 6及前代技術(shù)使用的2.4GHz和5GHz頻段外，Wi-Fi 6E也能在6GHz頻段工作。2024年1月，Wi-Fi聯(lián)盟發(fā)布了Wi-Fi CERTIFIED 7認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著Wi-Fi 7正式問世。Wi-Fi 7通過多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新(圖1)顯著提升了Wi-Fi傳輸速度與效率，不僅繼承了Wi-Fi 6E的6GHz頻段，還將其支持的帶寬從Wi-Fi 6E的160MHz擴(kuò)展至320MHz，吞吐量實(shí)現(xiàn)翻倍增長。

圖1 Wi-Fi 7的創(chuàng)新技術(shù)與優(yōu)勢

在Wi-Fi 6E之前，所謂的“三頻”是通過將5GHz頻段(U-NII1－U-NII3，即5150MHz－5835MHz)劃分為兩個(gè)子頻段實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)子頻段分別是U-NII1–2a(5150MHz－5350MHz)和U-NII 2c–3(5470MHz－5835MHz)，如圖2所示。

圖2 Wi-Fi 6的三頻劃分

隨著Wi-Fi 6E開放6GHz頻譜，Wi-Fi真正邁入三頻時(shí)代。新一代的Wi-Fi 7直接將6GHz頻段納入標(biāo)準(zhǔn)配置，如圖3所示，Wi-Fi 6E/Wi-Fi 7實(shí)現(xiàn)了真正的三頻傳輸，更高的帶寬緩解了頻譜擁擠的問題，同時(shí)提升了傳輸吞吐量和網(wǎng)絡(luò)容量。

圖3  Wi-Fi 6E/Wi-Fi 7的真三頻

三頻、更多的可用帶寬、更高的吞吐量……這一切都貌似很美好，但也同時(shí)衍生了另一個(gè)無線通信過程中最棘手的問題：干擾。多個(gè)頻段的無線信號(hào)在同一空間共存，就像在嘈雜市場中對(duì)話，各種遠(yuǎn)近、強(qiáng)弱的聲音彼此干擾，不僅降低溝通效率，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致信息出錯(cuò)或通信中斷。因此，RF濾波器在三頻的Wi-Fi設(shè)備中扮演著關(guān)鍵角色。RF濾波器最主要的功能就是過濾掉不需要的信號(hào)，進(jìn)而降低或減輕來自其他射頻設(shè)備的信號(hào)干擾。同時(shí)，濾波器還在擴(kuò)大覆蓋范圍、增強(qiáng)頻率性能與提高網(wǎng)絡(luò)容量方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。此外，濾波器還解決了射頻工程師在開發(fā)適用于擁擠RF環(huán)境——如企業(yè)級(jí)接入點(diǎn)(EAP)或多模接入點(diǎn)(集成5G、4G LTE、Wi-Fi、BLE、Matter、UWB、NFC)——的Wi-Fi路由器時(shí)面臨的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

濾波器的分類：

如果按照功能進(jìn)行分類，可以將濾波器分為四個(gè)種類，如圖4所示：

●   低通濾波器：只讓低頻部分信號(hào)通過，過濾掉高頻信號(hào)。

●   高通濾波器：只讓高頻部分信號(hào)通過，過濾掉低頻信號(hào)。

●   帶通濾波器：只讓某指定范圍頻率的信號(hào)通過，過濾掉其他頻率的信號(hào)。

●   帶阻濾波器：過濾掉某指定范圍頻率的信號(hào)，讓其他頻率的信號(hào)通過。

圖4 四種不同功能的濾波器分類

如果以濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)來進(jìn)行分類，可大致分為以下五種：

●   介質(zhì)諧振器(DR)濾波器：其原理是通過電磁波在介質(zhì)材料內(nèi)部反復(fù)地全反射而形成一個(gè)微波諧振器，以達(dá)成濾波的目的。一般使用高介質(zhì)陶瓷作為介質(zhì)濾波器的主要原料來實(shí)現(xiàn)小型化的目的。

●   低溫共燒陶瓷(LTCC)：LTCC是一種用于制作多層陶瓷基板的技術(shù)，其特點(diǎn)是能夠在900°C以下的溫度下將陶瓷材料燒結(jié)成基板。這種技術(shù)允許使用高導(dǎo)電、低熔點(diǎn)的金屬材料(如金、銀、銅等)作為內(nèi)部導(dǎo)體。陶瓷基板主要用于承載各種有源和無源元器件，例如電阻、電容和IC，并通過封裝工藝制成集成元器件。由于陶瓷材料具有低介電常數(shù)、高頻特性和低損耗性能，LTCC技術(shù)非常適合應(yīng)用于微波射頻濾波器。

●   表面聲波(SAW)濾波器：SAW濾波器是一種成熟且被廣泛運(yùn)用的濾波器技術(shù)。其主要原理是利用石英、鈮酸鋰、鈦酸鋇晶體等材料的壓電效應(yīng)，即在輸入電信號(hào)作用下，通過叉指式換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波，也就是聲波。經(jīng)過處理后，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以達(dá)到過濾掉不必要信號(hào)及噪聲的目的。簡單地理解，表面聲波是指沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，且能量集中于表面。在表面聲波傳播途中，可任意存取信?hào)。根據(jù)這種特性，即可利用集成電路技術(shù)制作出表面聲波濾波器。

●    薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器：FBAR濾波器是一種由壓電材料構(gòu)成的器件。該壓電材料在兩個(gè)導(dǎo)電(通常是金屬)電極之間通過薄膜形成一個(gè)腔體，再基于電極之間的壓電層的壓電性形成諧振器，以達(dá)成濾波的目的。FBAR諧振器屬于體聲波諧振器(BAW)和壓電諧振器的類別，用于需要高頻率、小尺寸和小重量的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

●   BAW濾波器：BAW濾波器最基本的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)金屬電極夾著一層壓電薄膜，讓聲波在壓電薄膜內(nèi)部振蕩形成駐波。與SAW不同的是，SAW是聲波在表面上傳播，而BAW則是聲波在腔體內(nèi)垂直傳播(如圖5所示)。與FBAR不同的是，BAW利用布拉格反射器疊層使聲波信號(hào)保持在疊層的內(nèi)層，并與原來的波疊加后反射到壓電層中，這種結(jié)構(gòu)稱為BAW–SMR(固態(tài)裝配諧振器)，而FBAR則是利用一個(gè)空氣腔來做聲波的反射振蕩。圖6說明了BAW-SMR與FBAR的結(jié)構(gòu)差別。

圖5 SAW與BAW的結(jié)構(gòu)差異

圖6 BAW與FBAR的結(jié)構(gòu)差異

圖7為典型的濾波器工作響應(yīng)。濾波器的關(guān)鍵參數(shù)關(guān)系到無線射頻系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量與效率，表1列出了濾波器的關(guān)鍵參數(shù)以及選擇一個(gè)好濾波器的標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 無線射頻濾波器的工作響應(yīng)

表1 射頻濾波器的關(guān)鍵參數(shù)

Qorvo作為全球領(lǐng)先的連接和電源解決方案供應(yīng)商，專注于BAW濾波器的研究開發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)超過20年。Qorvo有多項(xiàng)與BAW濾波器相關(guān)的專利與版權(quán)，每年投入大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)與設(shè)備，同時(shí)擁有自己的晶圓廠與封裝測試廠，可實(shí)現(xiàn)從開發(fā)、生產(chǎn)、封裝、測試、出貨一站式的服務(wù)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與確保供貨的交付。

圖8 Qorvo提供完整的BAW濾波器解決方案

Qorvo憑借20年的技術(shù)積累，在市場上獲得了客戶的肯定與支持。隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以及越來越多新頻段、新調(diào)制方式和新法規(guī)的引入，無線通信系統(tǒng)日益復(fù)雜，因此需要更高質(zhì)量、更小尺寸的濾波器來簡化設(shè)計(jì)，并提升通信效率與穩(wěn)定性。

目前Qorvo的BAW濾波器工藝已處于第六代水平，簡稱BAW 6，完全是由Qorvo獨(dú)立自主開發(fā)與量產(chǎn)制造。目前針對(duì)Wi-Fi 6E與Wi-Fi 7路由器所設(shè)計(jì)的濾波器都是以BAW 6工藝為主。越高端的BAW工藝具有越好的邊帶(edge band)抑制能力，支持更寬頻段的濾波性能、更低的插入損耗，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更小的裸片尺寸。圖9展示了Qorvo BAW技術(shù)的演進(jìn)過程，以及不同工藝對(duì)濾波器插入損耗和裸片尺寸的影響。

圖9 Qorvo的BAW技術(shù)演進(jìn)，以及高端BAW工藝的優(yōu)勢

圖10顯示了基于相同U-NII 2c-3 (5470MHz－5835MHz)濾波器設(shè)計(jì)，但在使用BAW 6與BAW 7工藝時(shí)所表現(xiàn)出的差異。在尺寸方面，BAW 7的裸片面積相比BAW 6縮小了45%，使得在相同尺寸的晶圓上可切割的濾波器裸片數(shù)量增加約45%，從而有助于降低成本。從濾波器能效的部分來看，根據(jù)實(shí)際的晶圓上測量結(jié)果，BAW 7的插入損耗可降低0.8dB－0.9dB，表現(xiàn)出類似的帶外抑制能力及支持更寬的通道帶寬。

圖10 Qorvo BAW 6與BAW 7工藝的優(yōu)勢——以U-NII 2c-3濾波器為例

呼應(yīng)之前文章所提到的內(nèi)容，隨著RF頻譜的日益擁擠以及基于Wi-Fi 6E、Wi-Fi 7技術(shù)規(guī)范的高性能Wi-Fi無線路由器需求的增長，濾波器在三頻的Wi-Fi設(shè)備中扮演的角色愈發(fā)重要。優(yōu)質(zhì)濾波器在屏蔽外部干擾和自身產(chǎn)生的干擾方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，不僅能確保Wi-Fi信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還能使射頻前端模塊(FEM)及放大器達(dá)到最佳性能。通過采用Qorvo提供的高質(zhì)量BAW濾波器，Wi-Fi路由器可以實(shí)現(xiàn)更佳的性能，即使在復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與應(yīng)用場景下，也能讓使用者獲得更好的使用體驗(yàn)。