浅谈Wi－Fi 6E与Wi－Fi 7的关键器件——BAW滤波器新技术

2020年1月，Wi-Fi联盟正式宣布开放6GHz频段(5925MHz－7125MHz)，并将其命名为Wi-Fi 6E。2020年4月，美国联邦通信委员会(FCC)投票通过将6GHz频谱划为免许可频段供Wi-Fi使用，这标志着Wi-Fi正式进入“三频”时代——除Wi-Fi 6及前代技术使用的2.4GHz和5GHz频段外，Wi-Fi 6E也能在6GHz频段工作。

2024年1月，Wi-Fi联盟发布了Wi-Fi CERTIFIED 7认证标准，标志着Wi-Fi 7正式问世。Wi-Fi 7通过多项技术创新(图1)显著提升了Wi-Fi传输速度与效率，不仅继承了Wi-Fi 6E的6GHz频段，还将其支持的带宽从Wi-Fi 6E的160MHz扩展至320MHz，吞吐量实现翻倍增长。

图1. Wi-Fi 7的创新技术与优势

在Wi-Fi 6E之前，所谓的“三频”是通过将5GHz频段(U-NII1－U-NII3，即5150MHz－5835MHz)划分为两个子频段实现的，这两个子频段分别是U-NII1–2a(5150MHz－5350MHz)和U-NII 2c–3(5470MHz－5835MHz)，如图2所示。

图2. Wi-Fi 6的三频划分

随着Wi-Fi 6E开放6GHz频谱，Wi-Fi真正迈入三频时代。新一代的Wi-Fi 7直接将6GHz频段纳入标准配置，如图3所示，Wi-Fi 6E/Wi-Fi 7实现了真正的三频传输，更高的带宽缓解了频谱拥挤的问题，同时提升了传输吞吐量和网络容量。

图3. Wi-Fi 6E/Wi-Fi 7的真三频

三频、更多的可用带宽、更高的吞吐量……这一切都貌似很美好，但也同时衍生了另一个无线通信过程中最棘手的问题：干扰。多个频段的无线信号在同一空间共存，就像在嘈杂市场中对话，各种远近、强弱的声音彼此干扰，不仅降低沟通效率，严重时甚至导致信息出错或通信中断。因此，RF滤波器在三频的Wi-Fi设备中扮演着关键角色。RF滤波器最主要的功能就是过滤掉不需要的信号，进而降低或减轻来自其他射频设备的信号干扰。同时，滤波器还在扩大覆盖范围、增强频率性能与提高网络容量方面发挥着关键的作用。此外，滤波器还解决了射频工程师在开发适用于拥挤RF环境——如企业级接入点(EAP)或多模接入点(集成5G、4G LTE、Wi-Fi、BLE、Matter、UWB、NFC)——的Wi-Fi路由器时面临的主要设计挑战。

滤波器的分类：

如果按照功能进行分类，可以将滤波器分为四个种类，如图4所示：

• 低通滤波器：只让低频部分信号通过，过滤掉高频信号。
• 高通滤波器：只让高频部分信号通过，过滤掉低频信号。
• 带通滤波器：只让某指定范围频率的信号通过，过滤掉其他频率的信号。
• 带阻滤波器：过滤掉某指定范围频率的信号，让其他频率的信号通过。

图4. 四种不同功能的滤波器分类

如果以滤波器的结构与设计来进行分类，可大致分为以下五种：

• 介质谐振器(DR)滤波器：其原理是通过电磁波在介质材料内部反复地全反射而形成一个微波谐振器，以达成滤波的目的。一般使用高介质陶瓷作为介质滤波器的主要原料来实现小型化的目的。
• 低温共烧陶瓷(LTCC)：LTCC是一种用于制作多层陶瓷基板的技术，其特点是能够在900°C以下的温度下将陶瓷材料烧结成基板。这种技术允许使用高导电、低熔点的金属材料(如金、银、铜等)作为内部导体。陶瓷基板主要用于承载各种有源和无源元器件，例如电阻、电容和IC，并通过封装工艺制成集成元器件。由于陶瓷材料具有低介电常数、高频特性和低损耗性能，LTCC技术非常适合应用于微波射频滤波器。
• 表面声波(SAW)滤波器：SAW滤波器是一种成熟且被广泛运用的滤波器技术。其主要原理是利用石英、铌酸锂、钛酸钡晶体等材料的压电效应，即在输入电信号作用下，通过叉指式换能器将电信号转换为机械波，也就是声波。经过处理后，再把机械能转换成电信号，以达到过滤掉不必要信号及噪声的目的。简单地理解，表面声波是指沿固体表面传播的波，且能量集中于表面。在表面声波传播途中，可任意存取信号。根据这种特性，即可利用集成电路技术制作出表面声波滤波器。
• 薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器：FBAR滤波器是一种由压电材料构成的器件。该压电材料在两个导电(通常是金属)电极之间通过薄膜形成一个腔体，再基于电极之间的压电层的压电性形成谐振器，以达成滤波的目的。FBAR谐振器属于体声波谐振器(BAW)和压电谐振器的类别，用于需要高频率、小尺寸和小重量的应用设计。
• BAW滤波器：BAW滤波器最基本的结构是由两个金属电极夹着一层压电薄膜，让声波在压电薄膜内部振荡形成驻波。与SAW不同的是，SAW是声波在表面上传播，而BAW则是声波在腔体内垂直传播(如图5所示)。与FBAR不同的是，BAW利用布拉格反射器叠层使声波信号保持在叠层的内层，并与原来的波叠加后反射到压电层中，这种结构称为BAW–SMR(固态装配谐振器)，而FBAR则是利用一个空气腔来做声波的反射振荡。图6说明了BAW-SMR与FBAR的结构差别。

图5. SAW与BAW的结构差异

图6. BAW与FBAR的结构差异

图7为典型的滤波器工作响应。滤波器的关键参数关系到无线射频系统的传输质量与效率，表1列出了滤波器的关键参数以及选择一个好滤波器的标准。

图7. 无线射频滤波器的工作响应

表1. 射频滤波器的关键参数

Qorvo作为全球领先的连接和电源解决方案供应商，专注于BAW滤波器的研究开发与生产已经超过20年。Qorvo有多项与BAW滤波器相关的专利与版权，每年投入大量的研发经费与设备，同时拥有自己的晶圆厂与封装测试厂，可实现从开发、生产、封装、测试、出货一站式的服务，保证产品的质量与确保供货的交付。

图8. Qorvo提供完整的BAW滤波器解决方案

Qorvo凭借20年的技术积累，在市场上获得了客户的肯定与支持。随着现代无线通信技术的蓬勃发展，以及越来越多新频段、新调制方式和新法规的引入，无线通信系统日益复杂，因此需要更高质量、更小尺寸的滤波器来简化设计，并提升通信效率与稳定性。

目前Qorvo的BAW滤波器工艺已处于第六代水平，简称BAW 6，完全是由Qorvo独立自主开发与量产制造。目前针对Wi-Fi 6E与Wi-Fi 7路由器所设计的滤波器都是以BAW 6工艺为主。越高端的BAW工艺具有越好的边带(edge band)抑制能力，支持更宽频段的滤波性能、更低的插入损耗，并且能够实现更小的裸片尺寸。图9展示了Qorvo BAW技术的演进过程，以及不同工艺对滤波器插入损耗和裸片尺寸的影响。

图9. Qorvo的BAW技术演进，以及高端BAW工艺的优势

图10显示了基于相同U-NII 2c-3 (5470MHz－5835MHz)滤波器设计，但在使用BAW 6与BAW 7工艺时所表现出的差异。在尺寸方面，BAW 7的裸片面积相比BAW 6缩小了45%，使得在相同尺寸的晶圆上可切割的滤波器裸片数量增加约45%，从而有助于降低成本。从滤波器能效的部分来看，根据实际的晶圆上测量结果，BAW 7的插入损耗可降低0.8dB－0.9dB，表现出类似的带外抑制能力及支持更宽的通道带宽。

图10. Qorvo BAW 6与BAW 7工艺的优势——以U-NII 2c-3滤波器为例

呼应之前文章所提到的内容，随着RF频谱的日益拥挤以及基于Wi-Fi 6E、Wi-Fi 7技术规范的高性能Wi-Fi无线路由器需求的增长，滤波器在三频的Wi-Fi设备中扮演的角色愈发重要。优质滤波器在屏蔽外部干扰和自身产生的干扰方面发挥着关键作用，不仅能确保Wi-Fi信号传输的稳定性，还能使射频前端模块(FEM)及放大器达到最佳性能。通过采用Qorvo提供的高质量BAW滤波器，Wi-Fi路由器可以实现更佳的性能，即使在复杂的无线网络环境与应用场景下，也能让使用者获得更好的使用体验。