2023年9月5日，華為公開了一種晶片濾波器設計和製造相關的專利，專利名稱為「濾波器及其製作方法、電子設備」，公開號是CN116711212A。「這項發明用於提高濾波器的功率容量，從而解決目前只能應用在手機終端設備的聲波晶片濾波器，由於功率容量限制而不能應用於基站的問題。」 也就是說，這項發明製造的濾波器晶片，可以應用在大功率基站上了？
這項最新的濾波器專利結構示意如下圖所示，是一種固態裝配型 SMR-BAW濾波器，相對於FBAR濾波器來說，SMR-BAW 本身就具有高穩定性和高功率容量，在華為最新專利中通過將襯底換成碳化矽來進一步提高BAW濾波器的功率容量。至少在理論上，這種方式是可行的。
（來自專利公開檔案）
該專利所發明的濾波器結構包括：碳化矽襯底101，設置於碳化矽襯底一側的Bragg反射層102，以及設置於聲波反射層遠離碳化矽襯底一側的金屬電極103。金屬電極包括底部金屬電極和頂部金屬電極，且底部金屬電極和頂部金屬電極之間設置有壓電功能層105。
在專利檔案中介紹到：這項發明利用碳化矽襯底良好的導熱功能，可以實現更好的散熱，同時具有更好的溫度補償，減小溫漂，進而可以提高濾波器的功率容量。
我們簡單複習一下聲波濾波器的基礎知識。
我們在《晶片濾波器》專欄中詳細介紹了這種晶片濾波器，其主要運用壓電材料的壓電效應，將電磁波信號轉換為聲波信號，由於聲波在介質中傳播的波速慢，相同諧振頻率的聲波波長就遠小於電磁波的波長。這樣其二分之一諧振體積就會很小，從而實現減小濾波器體積的目的。
常見的聲波濾波器有聲表面波 SAW 濾波器和體聲波 BAW 濾波器。
SAW濾波器利用叉指換能器IDT實現電磁波信號和聲波信號的轉換，如下圖所示，其諧振頻率主要受叉指換能器的間距L的決定，受工藝限制，其間隙很難做到很小，所以一般用於工作在1GHz以下的濾波器設計，比如中頻濾波器或者其他工作在1GHz以下的場合。現在有一些比較先進的工藝，SAW的工作頻率也在進一步提高，比如在2GHz-3GHz,也有SAW濾波器產品。但是SAW濾波器的損耗較大和功率容量也較小。
而體聲波BAW濾波器則是利用兩個金屬電極之間的壓電陶瓷薄膜實現電磁波信號和聲波信號的轉換，其諧振頻率主要決定於壓電陶瓷薄膜的材料屬性和厚度，如下圖所示，因此其工作頻率要遠高於SAW濾波器。有實驗證明其可以工作在10GHz以上，目前Akoustis 公司推出的可以工作在 7GHz 左右的XBAW 濾波器已經實現量產。
在體聲波BAW濾波器中，根據其結構的不同又分為FBAR和SMR-BAW濾波器。FBAR是一種空腔型體聲波濾波器，其利用在金屬電極下挖空介質形成空氣腔，實現聲波的全反射，從而形成諧振，其結構如左圖所示，其全反射效率比較高，可實現較高的Q0，因此損耗比較小；而SMR-BAW濾波器則利用高低阻抗薄膜構成的Bragg反射層來實現聲波的「全」反射，進而形成諧振，結構如右圖所示。受Bragg反射層反射效率的限制，會造成部分聲波信號的洩露，因此其Q0會受影響，SMR-BAW濾波器的損耗也相對較大一點。
很顯然，SMR-BAW濾波器其結構更加穩固，散熱性能也更好，因此其功率容量和可靠性要優於FBAR，但是其Bragg反射層很難做到聲波信號的全反射，因此其損耗一般要比FBAR濾波器要大。華為最新專利顯示，利用碳化矽基底和更好的Bragg反射層，其濾波器的功率容量和損耗性能都有一定程度的提高。
我們知道聲波濾波器這種晶片級濾波器的體積非常小，比如星耀半導體推出的B3頻段的TF-SAW雙工器，其體積也僅有1.8mm*1.4mm大小，N79頻段的BAW濾波器體積僅有1.4mm*1.1mm。這個體積也就相當於一顆0805的電容的大小，僅PCB面積就比當前5G基站用的陶瓷波導濾波器體積重量小了100多倍。
（來自星耀半導體官網）
但是聲波濾波器在縮小體積的同時，也降低了其功率容量，體聲波濾波器不僅電極比較薄，同時壓電陶瓷的厚度又極其薄，通常在微米級，所以當射頻功率增大的時候，其極容易被擊穿或者過熱而損壞。
一般情況下其功率容量在1W以下，也就是30dBm，甚至更低，比如AKOUSTIS 公司推出的這款工作在6.5GHz的xBAW 濾波器A10165，其標稱功率容量僅28dBm。
（來自AKOUSTIS官網）
這樣就限制了聲波濾波器在大功率無線通訊系統中的應用，比如行動通訊基站射頻前端。如果能夠將聲波濾波器的功率容量提高36dBm左右，其在小基站或者微基站中的應用問題就可以得到有效解決，如果能夠達提高到40dBm，那麼5G Massive MIMO基站的射頻前端濾波器是不是也就可以用BAW濾波器了？
所以說，如果這種利用材料特性實現的聲波濾波器，能夠實現大功率，低損耗，對常規的射頻濾波器簡直是降維打擊。
但是這個專利的實用性如何？
到底能夠將聲波濾波器的功率容量提高到多少？
尚沒有公佈詳細資料，不過這項2021年提出的專利，到2023年公佈日已經有兩年多時間，有可能實際產品比專利所說的又要提高了很多，讓我們拭目以待！
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