在当今智能手机的核心卖点中，处理器性能、相机能力、屏幕显示技术常常占据舞台中央，但决定一部手机能否随时随地“有信号”、能否稳定联网的关键技术，却隐藏在很少被提及的射频（RF）前端系统中。其中最重要的器件之一，就是滤波器。而在众多滤波技术中，最能代表高性能与高复杂度的，就是由 Broadcom（前 Avago）推出并于十年前就已成熟商用的 FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator，薄膜体声波谐振器）技术。
2015年7月27日Mobile Chip Report发表了一篇详细的FBAR技术科普《FBAR GETS EXCELLENT RECEPTION – Superior Performance of Avago RF Chips Sweeps Flagship LTE Phones》。该文章被永久的收录在Broadcom的公司网站中，供学术界和工业界的专家学习交流。今天我们就来回顾一下Broadcom隐形的功臣FBAR。
滤波器 (filter) 是一种电路元件，它根据频率将输入信号转换为输出信号。蜂窝设备 (cellular devices) 需要的是带通滤波器 (band-pass filter)。如上图所示如果信号是在目标频段 (pass band) 内，输出信号几乎与输入相同，只是有一点衰减，这就是插入损耗 (insertion loss)。而在中间区域 (transition / guard band)，输出会急剧下降，这部分是带外抑制 (out-of-band rejection)。
一个优秀的滤波器应当满足以下要求：插入损耗越小越好，因为较大的损耗会降低接收灵敏度，也让发射时浪费能量；带外抑制要高，以削弱非目标信号的干扰；滤波曲线 (频率响应) 要有陡峭的“裙边” (skirt)，即滤波器在通带之外迅速衰减；频率温度系数 (TCF, Temperature Coefficient of Frequency)，即频率随着温度变化而漂移的程度要尽量的低。
在 LTE 系统中，设备可能需要支持 40 多个频段 (从约 700 MHz 到 3600 MHz)。而一部手机通常实现 6–15 个频段。每个频段的接收 (Rx) 滤波器能让设备检测特定频段的信号，并抑制来自其他频段的干扰；而发射 (Tx) 滤波器则负责减少发射时非目标频率的能量。对于同时有发射和接收的FDD（全双工）LTE设备，如果发射和接收频率靠得很近，就可能产生“自干扰 (self-desense)”。这种情况下，滤波器组合可能需要 50–60 dB 的隔离度。相比之下，TDD (时分双工) 系统因为不同时发射和接收，对滤波器的隔离度要求较低 (约 20–40 dB)。
FBAR 与 SMR-BAW 技术
在 BAW 技术里，常见两种实现方式：FBAR (自由悬挂膜) 和 SMR (Solidly Mounted Resonator, 实固式谐振器)。FBAR使用气腔 (Air Cavity) 来隔离底电极与载 Substrate，使得谐振膜仅在边缘与基底连接。SMR则使用 Bragg 反射层 (由多个低 / 高声阻抗薄膜交替构成) 来反射声波，从而将声波能量困住。
制造声学滤波器的关键在于使用压电材料 (Piezoelectric Materials)，通过换能器 (Transducers) 将电信号转换成机械 (声波) 能量，反之亦然。对于 BAW (尤其是 FBAR) 来说，最常用的压电薄膜材料是氮化铝 (AlN)。
制造难题主要有两个：压电薄膜沉积 – 需要极高均匀性和结晶质量 (质地方向性)，耦合系数 (coupling coefficient) 一旦不均匀，就会影响良率 (yield)；晶圆级频率 / 厚度微调 (trimming) – 一块晶圆 (例如 6 英寸) 上可能有超过 1 万个滤波器芯片 (die)，修整每片晶圆需要几分钟时间。
此外，薄膜 BAW 技术兼容不同衬底 (substrate) 加工流程，包括硅 (Si) 和 GaAs (砷化镓)，这使得滤波器能与主动 (active) 元件集成。相比之下，SAW 通常在 LiTaO₃ 晶体上制造，难以与其他组件集成。
Avago (Broadcom) 的 FBAR 技术优势
Avago 在 MEMS 技术领域是早期先锋。惠普 (Hewlett-Packard) —— 后来分拆出 Agilent，再后来变成 Avago —— 从 1993 年就开始研究 FBAR 技术。
FBAR 结构要求一个自由悬挂膜 (free-standing membrane)，只在边缘与基底连接。早期版本常常出现膜开裂的问题。项目负责人 Rich Ruby 曾描述，这些膜“像香烟纸一样卷起来”。经过改进和优化，Avago 在2015年已经能够 每季度成功生产超过 10 亿个 (billion) FBAR 滤波器。
FBAR滤波器裙边陡峭 & 带外抑制 (out-of-band rejection) 优异是 FBAR 最大优势之一。这种特性在 LTE 中非常重要，因为很多 FDD 频段 (发送与接收) 的频率很接近。若没有高性能滤波器，邻近频段会引起严重干扰。同时，现代 LTE 手机中越来越多地使用 载波聚合 (carrier aggregation, CA)：多个频段同时工作以提高数据速率。这样多个频段之间的干扰机会更多，就更依赖高质量滤波器。如果两个相邻频段没有足够隔离 (isolation)，数据速率可能下降，甚至根本无法同时使用这些频段。
举一个实际例子，在美国Verizon 的 LTE Band 13 频段与一个公共安全无线电 (PSR) 频段只有 2 MHz 的频差。若手机干扰了该 PSR 频段 (如发射功率过大)，可能对公共安全通信构成问题。标准可能要求手机在 Band 13 发射时大幅降低功率。Avago 的解决方案是：使用一个温度补偿 (temperature-compensated) 的 FBAR 双工器 (duplexer)，它具有非常快速的滤波 roll-off (即滤波曲线非常陡峭)。与线性放大器 (highly linear power amplifier) 集成在一个前端模块 (FEM, front-end module) 中，使得 Band 13 手机可以 全功率发射，同时不干扰 PSR。
FBAR滤波器还具有较低的插入损耗 (insertion loss)。在 LTE 前端中，当多个频段 (band) 被组合 (组合多 band) 时，会引入额外损耗。较低插入损耗可以补偿这些损耗，从而改善蜂窝覆盖 (cell coverage)。手机在弱信号区域更容易接收到信号。更强的信号意味着手机有可能使用更高阶调制 (modulation)（例如，从 QAM-16 升到 QAM-64），这能提高真实世界的数据传输速率。最终结果是：更好的用户体验 + 每个基站 (cell site) 的数据容量更高。
FBAR可以显著的节省电池寿命。在发射 (Tx) 端，由于滤波器插入损耗低，手机为了达到相同发射 (天线) 功率所需的输出功率 (功率放大器输出) 更低，因此能省电。如果某部手机发射参考电流是 450 mA，那么插入损耗改善 0.5 dB 可以节省约 50 mA 电流。对于一个每月上传 1 GB LTE 数据 (假设上传速率为 2 Mbps) 的用户来说，发射器每天可能只开启几分钟。这样的节省对应约 每天节省不到 4 mAh，在典型 1,600 mAh 智能手机电池里约是 2%。
FBAR的制造和良率 (Yield)
虽然 FBAR 在性能上很有优势，但制造难度不低 (特别是膜结构的稳定性和厚度/频率微调)。Avago 已经积累了经验，并且克服了早期膜破裂的问题 (膜“卷起来”像香烟纸) — 他们解决了这个问题，使得 FBAR 技术实现大规模量产。
FBAR 是一项成熟且有门槛的技术。它不是刚刚诞生的科技新词，而是一项早在十年前就已大规模商业化，并至今仍然处于头部地位的射频滤波器技术。它不显眼，却深刻影响着我们手机通信的每一次连接、每一次定位、每一次网络协同。可以说，没有 FBAR 就没有今天稳定可靠的 LTE/5G 智能手机体验。
