MMIC濾波器的時代已經(jīng)到來

Doug Jorgesen和Christopher Marki，Marki Microwave

在過去的10到15年里，射頻消費市場已經(jīng)迅速發(fā)展，提供了更高的數(shù)據(jù)速率和連接性，同時也支持不斷增加的用戶和連接設(shè)備。類似的市場演變正在航空航天和國防、測試和測量以及"新太空"市場中發(fā)生，在這些市場中，越來越多的高頻技術(shù)正在被應(yīng)用，用戶數(shù)量大大增加。下一代系統(tǒng)將越來越多地支持多信道、多頻段和多發(fā)射器結(jié)構(gòu)，以提高性能，并提供實現(xiàn)多任務(wù)的能力，但代價是總信道數(shù)和總帶寬的大量增加。這些信道得到了高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的支持，使傳統(tǒng)的超外差和直接轉(zhuǎn)換接收機都能獲得高瞬時帶寬。圖1說明了增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)帶寬的效果，它顯示了隨著更多的信號處理以數(shù)字方式進(jìn)行，濾波器的要求也在變化。不斷提高的ADC采樣率使窄帶濾波器能夠以數(shù)字方式實現(xiàn)，但不斷增加的信道數(shù)使濾波器的尺寸更加關(guān)鍵。這些趨勢給特定解決方案的物理封裝帶來了令人難以置信的壓力，人們期望在相同或有時更小的尺寸內(nèi)支持更多信道和處理能力。

圖1傳統(tǒng)的超外差接收器(a)，在第一中頻級之后進(jìn)行數(shù)字降頻的超外差接收器(b)和直接轉(zhuǎn)換接收器(c)。

為了支持更高的信道密度，器件解決方案通常遵循一種更小尺寸和更高頻率的演變。此外，許多系統(tǒng)塊和子塊已經(jīng)通過開發(fā)單芯片集成解決方案(通常是硅集成電路)，通過在單個封裝內(nèi)的多個芯片的新型封裝(稱為多芯片模塊)或通過在同一封裝內(nèi)的硅和非硅集成電路的某種組合(通常稱為"異質(zhì)集成")而被結(jié)合起來。毫無疑問，這些趨勢將在可預(yù)見的未來繼續(xù)下去，創(chuàng)新將是必要的，以進(jìn)一步縮小高頻硬件的尺寸。

濾波器通常用于提供信道或頻帶選擇，并清理模擬信號鏈中存在的雜散和不需要的信號或噪聲。當(dāng)涉及到小型化和更高的信道密度時，濾波器是有問題的，因為它們占用了系統(tǒng)整體占地面積的大部分。考慮到它們的普遍性，我們很好奇為什么濾波器仍然是系統(tǒng)中進(jìn)化程度最低的一塊。它們通常缺乏可調(diào)諧性或可重配置性，它們很少被集成到更大的功能塊或封裝中，它們占用了大量的面積和體積，它們很容易受到工藝變化的影響，造成批次間的差異，而且它們通常是"公司內(nèi)部"設(shè)計的，占用了寶貴的射頻設(shè)計資源。

對空間和尺寸的要求迫使人們重新評估未來濾波器解決方案的性能權(quán)衡。新的趨勢是優(yōu)先考慮降低SWaP、可擴展性和快速定制濾波器的開發(fā)，而不是傳統(tǒng)的低損耗(即高Q因子)、高帶外抑制和高功率。隨著轉(zhuǎn)換器帶寬的增加和更多的信號處理是以數(shù)字方式進(jìn)行的，在模擬領(lǐng)域需要更少的信號處理。更少的處理意味著更少的轉(zhuǎn)換器，因此，帶來間隔更遠(yuǎn)的更少的毛刺。一些濾波器的指標(biāo)，如信道選擇濾波器的插入損耗將始終是重要的，但尺寸、可擴展性和開發(fā)時間正成為系統(tǒng)架構(gòu)師更主要的關(guān)注點。

高性能系統(tǒng)的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，濾波器通常是根據(jù)系統(tǒng)頻率規(guī)劃或一些獨特的共存要求而定制的。這為小批量建立商業(yè)案例時帶來了挑戰(zhàn)，因為成本不能被多個客戶平攤。此外，濾波器往往是立即需要的，因為它們被添加或改變以解決開發(fā)過程中出現(xiàn)的特定問題。這使得快速的、價格合理的、首次設(shè)計就成功的方法對解決特定的定制濾波器要求至關(guān)重要。

考慮到上述情況，我們認(rèn)為，未來有競爭力的濾波技術(shù)必須滿足以下關(guān)鍵指標(biāo)：

尺寸極小，至少比現(xiàn)有解決方案小2倍，而且越小越好

開發(fā)周期短，成本不高，首次就成功的設(shè)計流程

可擴展的、高度可重復(fù)的制造方法

在插入損耗、濾波順序、阻隔裙邊等方面可接受的性能權(quán)衡，以使尺寸縮小，滿足系統(tǒng)需要

工作頻率從低GHz到>100GHz，支持所有的高頻需求，最好是采用表面貼裝封裝。

濾波器技術(shù)的比較

沒有一種濾波技術(shù)能適合所有應(yīng)用，也沒有一種性能指標(biāo)就可以定義一種濾波技術(shù)(圖2)。對濾波器技術(shù)進(jìn)行一般性比較是很復(fù)雜的，因為濾波器的設(shè)計可能是在許多參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。雖然Q值對一個給定的設(shè)計很重要，但沒有一個單一的品質(zhì)指數(shù)(figure of merit)能預(yù)測一種濾波器技術(shù)能多好地符合規(guī)范。

圖2微波濾波器的性能指標(biāo)。

在基本層面上，諧振器的Q值和濾波器的階數(shù)是決定中心頻率插入損耗和阻隔斜率的最重要因素。然而，一個典型的濾波器規(guī)格是由整個通帶的插入損耗而不是中心頻率的插入損耗來定義的，以及對特定頻率的阻隔而不是阻隔斜率來定義。要滿足真正的濾波器規(guī)格，需要在設(shè)計中仔細(xì)注意通帶邊緣的插入損耗和接近通帶的阻隔。因此，比較不同的濾波器技術(shù)不僅需要比較可用的Q值和可實現(xiàn)的濾波器階數(shù)，還需要比較實現(xiàn)不同技術(shù)的靈活性，包括與仿真的一致性。

目前常用的濾波器技術(shù)包括聲波濾波器、空腔濾波器、塊狀器件濾波器和平面濾波器。在傳統(tǒng)的空間受限的"低頻"環(huán)境中，如手機、Wi-Fi和許多其他消費產(chǎn)品，面聲波和體聲波濾波器被廣泛使用。它們提供了極好的阻隔性、低損耗和小尺寸，但它們受限于約1W的功率處理能力和約8GHz以下的頻率。對于具有更多可用電路板空間的低批量應(yīng)用，塊狀器件濾波器可以提供低成本和6GHz以下的良好性能，但在微波頻率下的性能較差。

在頻譜的另一端，空腔濾波器在微波頻率下提供了極低損耗的高阻隔性和高功率處理能力，但其物理尺寸大，需要手工調(diào)諧，而且都很昂貴。這類濾波器被廣泛用于高功率通信系統(tǒng)，如蜂窩宏基站。在這些極端尺寸和成本之間，是Marki和我們的客戶最常使用的一類濾波器：平面電路濾波器。用MMIC技術(shù)實現(xiàn)的

審核編輯：湯梓紅