华为公开最新滤波器专利，基站滤波器也要芯片化了？会不会再次“遥遥领先”？

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2023年9月5日，华为公开了一种芯片滤波器设计和制造相关的专利，专利名称为“滤波器及其制作方法、电子设备”，公开号是CN116711212A。“这项发明用于提高滤波器的功率容量，从而解决目前只能应用在手机终端设备的声波芯片滤波器，由于功率容量限制而不能应用于基站的问题。” 也就是说，这项发明制造的滤波器芯片，可以应用在大功率基站上了？

这项最新的滤波器专利结构示意如下图所示，是一种固态装配型 SMR-BAW滤波器，相对于FBAR滤波器来说，SMR-BAW 本身就具有高稳定性和高功率容量，在华为最新专利中通过将衬底换成碳化硅来进一步提高BAW滤波器的功率容量。至少在理论上，这种方式是可行的。

（来自专利公开文件）

该专利所发明的滤波器结构包括：碳化硅衬底101，设置于碳化硅衬底一侧的Bragg反射层102，以及设置于声波反射层远离碳化硅衬底一侧的金属电极103。金属电极包括底部金属电极和顶部金属电极，且底部金属电极和顶部金属电极之间设置有压电功能层105。

在专利文件中介绍到：这项发明利用碳化硅衬底良好的导热功能，可以实现更好的散热，同时具有更好的温度补偿，减小温漂，进而可以提高滤波器的功率容量。

我们简单复习一下声波滤波器的基础知识。

我们在《芯片滤波器》专栏中详细介绍了这种芯片滤波器，其主要运用压电材料的压电效应，将电磁波信号转换为声波信号，由于声波在介质中传播的波速慢，相同谐振频率的声波波长就远小于电磁波的波长。这样其二分之一谐振体积就会很小，从而实现减小滤波器体积的目的。

常见的声波滤波器有声表面波 SAW 滤波器和体声波 BAW 滤波器。

SAW滤波器利用叉指换能器IDT实现电磁波信号和声波信号的转换，如下图所示，其谐振频率主要受叉指换能器的间距L的决定，受工艺限制，其间隙很难做到很小，所以一般用于工作在1GHz以下的滤波器设计，比如中频滤波器或者其他工作在1GHz以下的场合。现在有一些比较先进的工艺，SAW的工作频率也在进一步提高，比如在2GHz-3GHz,也有SAW滤波器产品。但是SAW滤波器的损耗较大和功率容量也较小。

而体声波BAW滤波器则是利用两个金属电极之间的压电陶瓷薄膜实现电磁波信号和声波信号的转换，其谐振频率主要决定于压电陶瓷薄膜的材料属性和厚度，如下图所示，因此其工作频率要远高于SAW滤波器。有实验证明其可以工作在10GHz以上，目前Akoustis 公司推出的可以工作在 7GHz 左右的XBAW 滤波器已经实现量产。

在体声波BAW滤波器中，根据其结构的不同又分为FBAR和SMR-BAW滤波器。FBAR是一种空腔型体声波滤波器，其利用在金属电极下挖空介质形成空气腔，实现声波的全反射，从而形成谐振，其结构如左图所示，其全反射效率比较高，可实现较高的Q0，因此损耗比较小；而SMR-BAW滤波器则利用高低阻抗薄膜构成的Bragg反射层来实现声波的“全”反射，进而形成谐振，结构如右图所示。受Bragg反射层反射效率的限制，会造成部分声波信号的泄露，因此其Q0会受影响，SMR-BAW滤波器的损耗也相对较大一点。

很显然，SMR-BAW滤波器其结构更加稳固，散热性能也更好，因此其功率容量和可靠性要优于FBAR，但是其Bragg反射层很难做到声波信号的全反射，因此其损耗一般要比FBAR滤波器要大。华为最新专利显示，利用碳化硅基底和更好的Bragg反射层，其滤波器的功率容量和损耗性能都有一定程度的提高。

我们知道声波滤波器这种芯片级滤波器的体积非常小，比如星耀半导体推出的B3频段的TF-SAW双工器，其体积也仅有1.8mm*1.4mm大小，N79频段的BAW滤波器体积仅有1.4mm*1.1mm。这个体积也就相当于一颗0805的电容的大小，仅PCB面积就比当前5G基站用的陶瓷波导滤波器体积重量小了100多倍。

（来自星耀半导体官网）

但是声波滤波器在缩小体积的同时，也降低了其功率容量，体声波滤波器不仅电极比较薄，同时压电陶瓷的厚度又极其薄，通常在微米级，所以当射频功率增大的时候，其极容易被击穿或者过热而损坏。

一般情况下其功率容量在1W以下，也就是30dBm，甚至更低，比如AKOUSTIS 公司推出的这款工作在6.5GHz的xBAW 滤波器A10165，其标称功率容量仅28dBm。

（来自AKOUSTIS官网）

这样就限制了声波滤波器在大功率无线通信系统中的应用，比如移动通信基站射频前端。如果能够将声波滤波器的功率容量提高36dBm左右，其在小基站或者微基站中的应用问题就可以得到有效解决，如果能够达提高到40dBm，那么5G Massive MIMO基站的射频前端滤波器是不是也就可以用BAW滤波器了？

所以说，如果这种利用材料特性实现的声波滤波器，能够实现大功率，低损耗，对常规的射频滤波器简直是降维打击。

但是这个专利的实用性如何？

到底能够将声波滤波器的功率容量提高到多少？

尚没有公布详细数据，不过这项2021年提出的专利，到2023年公布日已经有两年多时间，有可能实际产品比专利所说的又要提高了很多，让我们拭目以待！

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