隨著蜂窩移動技術的演進，移動頻寬不斷增加，頻段數量也逐漸多元化。每個頻段都需要濾波器將其信號與其他頻段區隔開來，然而目前用於手機的濾波器技術可能無法延伸到 5G 中的毫米波 (mmWave) 全範圍。
“毫米波時代終將到來，但不是現在，”Resonant（一家成立於 2012 年 1 月的美國公司，原為移動設備產業，專注於為無線電頻率（簡稱 RF ）設計創新濾波器）企業發展副總裁 Mike Eddy 說。“地球探測衛星服務的頻率為 23.8 GHz，略低於為 5G 部署的毫米波頻段，因此必須對其進行過濾。”
“表面聲波 (Surface acoustic wave，簡稱 SAW) 器件或體聲波 (bulk acoustic wave，簡稱 BAW) 器件的延伸不會超過 10 GHz，” FormFactor 射頻部門業務開發總監 Anthony Lord 說。
“這些濾波器都不能在毫米波範圍內工作，它們都超過了 6GHz 或 8GHz”，FormFactor 射頻產品組行銷高級總監 Tim Cleary 表示，“業內沒有更好的解決方案，這是一個挑戰。”
當前行動設備產業中，SAW 和 BAW 濾波器佔據主導地位。雖然它們可能隨著進一步的改良而延伸到 6 GHz 範圍之外，但與毫米波設計所需的 28 至 70 GHz 範圍還有很大的差距。
其實，在不受限於體積大小的設備上，已經存在一些解決方案——但這些方案並不適用於手機，這就是目前需要發展的地方。
頻段激增，濾波器需求爆炸式成長
行動通訊技術每更新一代，都會有更多頻段被開發使用。“頻段”一詞可以有不同的含義，例如寬帶（borad bands）是被分配和拍賣的，而個別信道代表的頻段是這些寬帶的子集。
這些小頻段的數量正在急劇增加。對於使用頻分雙工 ( frequency-domain duplexing，簡稱 FDD) 的信道，有兩個相鄰的鏈路——一個用於發送，一個用於接收——兩者之間存在一個保護頻段。當使用時分雙工 (time-domain duplexing，簡稱 TDD) 時，整個信道只有一個頻段。
這些頻段或每個子頻段中都需要一個帶通濾波器（ band-pass filter）。隨著頻段數量激增，所需的濾波器數量也呈爆炸式成長。例如，今天智慧型手機中的濾波器數量已經超過 60 個，而 5G 時代這個數字將進一步提高，以便為毫米波頻段增加更高的頻率。
理論上，帶通濾波器可以讓頻帶內的信號通過，而將頻帶外的所有信號“阻擋在外”，可以將其視為頻帶內的信號乘以 1，頻帶外的信號乘以 0。
現實世界中的濾波器其實並非理想，面臨著許多挑戰。
現實中的濾波器，挑戰重重
現實中的濾波器，並非在頻帶邊緣“戛然而止”，因為頻帶邊緣呈弧形，衰減是傾斜的而非垂直的。
中心頻率、上限和下限的截止頻率是濾波器的關鍵屬性，截止值被定義為信號通過能力下降 3dB 的點（對應於信號功率下降一半的點）。超過 3dB 衰減的斜率通常稱為下擺，需要盡可能快地下降。
雖然單獨設計三個頻率（中心、上限和下限）可能會很好，但實際上，上限和下限截止頻率一起移動使得設計中心頻率和整體寬度成為可能，因此中心頻率也跟著一起移動，而寬度通常就是中心頻率的百分比。
設計更寬的帶通濾波器可能更具挑戰性，一些 5G 頻段的寬度可能高達中心頻率的 20%，這給濾波器的設計帶來很大的負擔。
在接收器的前端，需要盡可能早地過濾掉雜訊信號，防止其進入射頻鏈，這表示需要在訊號通過天線後立即對其進行過濾。隨著大規模的多輸入多輸出（MIMO）技術允許波束控制，大量的陣列天線單元被使用，在這種情況下，每個單元都需要一個濾波器。
“這些單元之間的間距基於毫米波，也就是說間距大約為 5 毫米，” Eddy 說。“適應這個間距是必然的。” 但目前對於毫米波來說是不可能的，因此任何過濾都是在混頻器之後完成。
基地台有足夠的空間容納濾波器尺寸，但手機提出了苛刻的小尺寸要求。在可預見的未來，小型濾波器的最佳頻率可能是 28 GHz，因為這是手持設備中可能使用的毫米波頻率，更高的頻率更有可能用於塔對塔通訊，這些系統不像手機那樣受空間限制。
“對於像是基地台之類的東西，我們將依賴陶瓷介質濾波器和金屬腔體濾波器，” Cadence 的 AWR 軟體技術行銷總監 David Vye 說。“它們永遠無法滿足行動設備內部空間的要求。”
早期，28 GHz（或接近）頻段的濾波需求較為寬鬆。3D Glass 首席技術官 Jeb Flemming 表示：“最初幾年我們常常聽到，手機中不會有任何毫米波濾波器。因為那時候還不會將頻段分解，主要使用天線進行過濾。”
在這種情況下，將天線作為一個馬馬虎虎的濾波器已經足夠，但在某些時候，我們需要為天線元件準備真正的濾波器。那麼，這些毫米波濾波器究竟如何製造？
廣泛應用於手機的聲波濾波器
當今手機中的大多數濾波器都使用聲波技術，這項技術利用設計壓電材料在電場影響下的輕微變形，以及物理變形後產生的電場。電信號可以轉換為機械振動，機械振動也可以轉換為電信號，這些機械振動等同於晶體內的聲波。
通過建立一種聲學諧振結構，可以將輸入信號施加到諧振器的一端。該輸入信號由許多不同頻率的信號組成——有些是為其他頻段的信號，而有些則是環境雜訊。濾波器的首要任務是消除通帶外的任意信號。
通帶內的信號頻率分量將引起聲學共振，接著聲波濾波器偵測到這些聲學共振並將其轉換回濾波器另一端的電域。理想情況下，該輸出將由所有被清除了不必要頻率的輸入信號組成。
這些聲波濾波器有許多優點，包括通帶乾淨、尺寸非常小和成本結構有利，尤其是大量生產產業降低了成本。
在較低頻率下，表面聲波 (SAW) 濾波器占主導地位，使用這些濾波器，材料表面的波被激發，並耦合到同一表面附近的輸出端。
對於更高的頻率，體聲波 (BAW) 濾波器則占主導地位，與低頻率下的 SAW 相反，不是在材料表面激發波，而是利用了大量材料從頂部到底部共振，輸出電極位於下方。這需要更複雜的處理，因此它們往往比 SAW 濾波器更昂貴。
BAW 濾波器有兩種基本版本，區別在於內部駐波的設置方式。
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一個版本需要從底部到頂部進行反射，並且使用獨立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和空氣腔完成這項工作。
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另一個版本使用一系列看起來像聲學鏡（類似於光的布拉格反射器）的層，稱為固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。
SAW 和 BAW 濾波器都是使用 MEMS 加工技術製造的，但毫米波滤波技术
波导腔滤波器
“波导腔是一种介质，它的尺寸决定了可传输能量的频率范围，”Vye 说。“低于或高于特定频率，能量将分别无法传播或出现调制问题。”
谐振器的加入有助于减少不必要的模式。“波导腔滤波器内部装有柱子，”Vye 说。“它们的作用类似于陶瓷滤波器，通过柱子的尺寸来确定特定频率下能量的抑制或传输。谐振器之间的物理距离影响带宽，谐振器的数量影响衰减，即滤波器越多，衰减越快。这也导致滤波器长度和成本的增加。”
对于基站来说，该技术由于尺寸较大的容纳空间而适用，但对于手机来说，仍然过于庞大。
微带滤波器
微带滤波器是另一种可用于高达 30 GHz 频率的方案。在此设计中，印刷电路板 (PCB) 上会形成微带线，以支持电磁谐振。一个潜在问题是，通常 PCB 材料被认为质量较低。
“PCB 厚度的变化、材料介电常数的变化以及印刷线条宽度的变化都会影响通带频率。”Eddy 说。
还有其他需要考虑的因素。Flemming 说：“材料特性确实会影响性能，但市场上的可用材料很有限。用于毫米波的共振陶瓷材料特殊且价格昂贵。多层陶瓷电容器 (MLCC) 历史上曾是一种合理的材料，但它们的有效性在 25 GHz 左右会开始失效。”
玻璃工艺的优势
由于毫米波频率的波长较短，因此可以在硅或其他材料中制造波导。“这与微机电系统 (MEMS) 类似，因为你需要创建通道，微波信号可以通过这些通道，然后在硅晶片上进行金属化，”Vye 解释说。
3D Glass 使用光刻工艺在玻璃而不是硅中制造波导，通过有选择地利用紫外线将非晶玻璃转化为晶体，被转化的晶体玻璃（实际上是陶瓷）更适合蚀刻，以便创建通孔特征。
“陶瓷在酸中的蚀刻速度比玻璃快 60 倍，”Flemming 说。“我们可以形成空腔，但这需要定时蚀刻，因为陶瓷层被玻璃贯穿。”
通过这种方式可以制造电感器等结构，也可以制造带有谐振器的空腔，用于毫米波滤波。
“我使用金属线作为谐振器，几乎蚀刻掉了所有的玻璃，”Flemming 说。“我的谐振器大部分都是悬浮在空中的。由于 5G 毫米波的限制因素在于材料，如果我能去除材料，并使其在空中悬浮且坚固耐用，那么这将算是一个成功。这条悬浮的带状线可以达到大约 40 到 50 GHz。我们展示了 10% 到 15% 的带宽，这相当宽。”
这些充满空气的空腔可以扩展到更高的回程频率。“我们正在 70 到 150 GHz 的范围内进行大量的客户开发，”他指出。“有些人称之为 5G，有些人称之为 6G。”
过往的滤波器设计涉及多次制造以优化性能，其中变量太多且要求严格，但如今可以利用仿真工具在构建滤波器之前优化其结构。
“封装方式和与电路其他部分的连接方式非常重要，”Vye 说。“人们放弃了对设计的经验测试，转而依赖电磁 (EM) 仿真技术进行设计。”
Cadence 此前使用 Microwave Office 设计和仿真 3D Glass，因此熟悉 3D Glass 的工作。“在一个非常低损耗的结构内有金属谐振器，这个结构由小玻璃基座悬浮的在空中，用来构建非常小的滤波器，尽管还没有声波滤波器那样小，”Vye 说。
结论
玻璃工艺的经济性具有吸引力。考虑到体积需求，可以使用面板代替晶圆。9' x 9' 的面板可以容纳大量的滤波器，尽管目前的工作是在 6 英寸和 8 英寸晶圆上进行，一些客户希望转向 12 英寸晶圆，但他们看到了降低成本的清晰路径。
虽然还有一些令人兴奋的前景即将出现，但这些前景尚未准备好进行商业生产，并且滤波技术领域尚未出现真正的赢家。
毫米波在 5G 手机中的应用尚未完全实现，因此还有一些时间。但值得注意的是，行业目前面临的问题是如何制定一个可靠的计划和路线图，而不是一些可能会奏效的有趣想法。