發布日期：2022-10-09 點擊率：37
【導讀】過去，手機通常只在特定地區的少數頻段中工作，濾波要求并不難達成，可能只需使用表面聲波濾波器即可。但是現在，手機會在同一時間于移動通信、藍牙、WiFi等多個無線頻段工作，這就給射頻濾波器帶來了挑戰。FBAR濾波器技術，帶來了4G/LTE下智能手機射頻濾波器解決方法。
隨著新一代手機的推出，智能手機可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的條件下持續提供更多的功能，這些新產品的背后動力來自于新的移動通信網絡，如4G和LTE技術的推出，大多數人已經把具有更快下載速度和更佳移動互聯網體驗與最新服務畫上等號，正如預期，幾乎絕大多數的產業新聞都圍繞在最新型手機的功能上，例如電池續航力、顯示屏的亮度、色彩以及分辨度等，但到底是什么樣的半導體構造方塊帶來如此令人驚艷的產品呢?
現代智能手機中一個非常重要的部分是射頻(RF)濾波器，正如它的基本原理，濾波器主要應用于通過需要并拒絕不要的頻率，以使手機中的許多接收器可以只處理預期的信號。在過去，手機通常只在全球特定地區的少數頻段中工作，然而對于現代化的手機，基本上會在相同時間于多個無線頻段工作，包括移動通信、藍牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望設計出可在全球不同地區和不同電信運營商服務下工作的產品，要讓手機在更多頻段和地區工作代表了手機對射頻濾波的要求越來越高。
在前幾代的無線技術中，濾波要求并不難達成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運營商網絡逐漸演進到CDMA和3G，薄膜腔聲波諧振器(FBAR)技術非常適合美國PCS和部分其他頻段對于濾波的高挑戰性要求，為了可以利用目前的4G/LTE服務，智能手機本身變得更為復雜，因此手機制造商已經開始擴大采用Avago的FBAR技術來解決以下即將討論4G/LTE所面對的獨特問題。
射頻濾波器挑戰1：可在多個頻段工作的4G/LTE手機
最新的智能手機產品在設計上必須可在全球多個頻段工作，多頻段智能手機的整體尺寸并不會大于前一代，因此如果要在保留給射頻前端電路的相同空間內加入更多的濾波器，那么非常明顯地，濾波器本身必須非常小，藉助Microcap微型封裝技術，FBAR濾波器可以通過芯片級封裝滿足絕大多數的空間受限應用。由于FBAR是基體型材料，因此可以提供非常良好的功率處理能力而不需要使用如SAW濾波器中常見的并行結構，另外，FBAR器件的尺寸也會隨著頻率的提高而縮小，這使得FBAR非常適合目前2300MHz到2700MHz，以及未來3.5GHz的新4G/LTE頻段應用。
也許FBAR技術中最重要的特性是可以支持高挑戰性頻段分配的陡峭濾波曲線以及卓越的帶外抑制能力，圖1是先前提到美國PCS應用的情況，其中上方發射頻率和下方接收頻率間的間隙非常窄，這個特性對于4G/LTE應用而言更為重要，原因是發射和接收頻率間的間隙更窄。除此之外，現今的智能手機也必須在緊鄰現有2G/3G射頻服務的擁擠頻譜內工作，還要避免可能影響甚至中斷數據服務的干擾，通常頻段間的過渡頻率大約在數MHz，有時甚至完全沒有防護頻帶。
圖1 FBAR濾波器響應特性
FBAR濾波器帶來的價值優勢之一可由美國使用的Band 13環境看出，這個由Verizon公司使用作為LTE服務的頻段距離警察、消防和其他應急處理機構使用的新公共安全無線電服務頻段僅2MHz，為了避免干擾PSR運行，LTE標準要求在Band 13頻段上工作的手機必須大幅度降低發射功率，但功率的降低則會明顯影響網絡效率，減少可以服務的用戶數和服務質量，大幅度降低數據吞吐量甚至導致掉線，通過結合帶溫度補償超快速轉折FBAR雙工器和高度線性化功率放大器于環境受到良好控制的集成前端模塊中，Avago創造了一個可以讓Band 13頻段手機全功率工作而不會干擾PSR運行的產品，FBAR雙工器的性能可以說是這類產品的成功關鍵之一。
射頻濾波器挑戰2：運行于更高數據率的4G/LTE智能手機
相較于3G服務，相同數據量下4G/LTE的下載速度大約可以達到10倍，也就是說于同樣時間內可被下載的數據量達到10倍，有幾種方法可以用來實現更高的數據率，4G/LTE會依檢測到的信號強度使用不同的調制方式，簡單地說，信噪比越高，數據率就愈高，如由QPSK轉換成QAM16/64調制。于通過單刀多擲開關結合多個雙工器的多頻段4G/LTE手機上，檢測到的信號可能過低而影響數據率，FBAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號強度，帶來更高的數據吞吐量，從而得到更好的用戶體驗和更高的數據容量。
采用分頻多工調制的手機使用允許同時進行信號發射和接收的雙工器，由于發射和接收濾波器連接到相同的天線端口，因此彼此間的濾波器隔離就非常重要，較高的隔離會將接收頻段的噪聲降至最低，而正如前面所討論，這可以提高SNR和數據率。
圖2 2.3GHz ~ 2.7GHz頻帶4G/LTE服務的防護頻帶
提高數據率的另一種方法是通過載波聚合，載波聚合以多于一個頻段的同時工作來提高下載數據率，部分新LTE頻段占據相對較小的頻譜，例如Band 25 (5MHz)，因此這是一個網絡運營商可以有效提高通信容量的方法。由于每個頻段的發射和接收會同時工作，因此不能夠使用開關，從而使用多工器來結合各個發射和接收濾波器到相同的天線端口上，當以多工器配置結合時，Avago的FBAR濾波器可以提供低信號損耗路徑，有助于最大限度地提高數據率。
下頁內容：射頻濾波器的挑戰和解決方法
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射頻濾波器挑戰3：智能手機同時使用多個無線信號
目前很難找到沒有Wi-Fi連線功能的智能手機，依手機工作頻率不同，如果沒有經過適當的濾波處理，手機發送的信號可能會干擾Wi-Fi的正常運行，作為一個例子，歐洲的LTE Band 7 (2500MHz~2570MHz)的發射頻率就緊鄰歐洲Wi-Fi使用頻率(2401MHz~2488MHz)的上方，見圖2。
使用智能手機作為Wi-Fi熱點時，Wi-Fi會和4G/LTE無線信號同時工作，如果沒有卓越的濾波能力，Wi-Fi收發器就有可能被遮蔽或者受到Band 7頻帶上LTE信號傳輸的影響，Avago的ACMD-6107雙工器提供足夠的保護，允許運行于更高頻率的Wi-Fi通道不會發生干擾，其他競爭的濾波器產品無法有效提供所需的帶外衰減能力，可能造成上方Wi-Fi頻道無法使用，和Avago的ACPF-7124 Wi-Fi共存濾波器配套組合，可以提供達到甚至超越系統要求的出色性能。
今天絕大多數的手機同時還支持GPS，甚至GLONASS服務，由于GPS/GLONASS信號通常功率非常低，大約在-125dBm ~ -150dBm，因此所有接近GPS頻率的發射信號都可能影響GPS/GLONASS接收器的靈敏度，AGPS-F001預濾波器加LNA模塊由于具有陡峭濾波和寬帶衰減能力，因此可以提供移動網絡、PCS和WiFi信號卓越的帶外遮蔽能力和良好的線性性能。
FBAR技術優勢
電池使用時間是一項經常用來進行手機性能測試并相互比較的重要特性，在接收側，我們討論了FBAR的較低插入損耗如何通過補償于射頻前端結合多頻段所帶來的較高損耗支持4G/LTE手機的更高數據率，另一個好處是，通過使手機可以檢測較微弱信號，擴大移動通信的覆蓋范圍，避免造成較差的接收能力甚至掉線。在發射側，較低的發射濾波器插入損耗代表了在相同天線發射功率下功率放大器所需的輸出功率較低，相較于其他濾波器技術，Avago的Band 4雙工器帶來的插入損耗改善大約在0.2dB ~ 0.5dB，相當于節省達50mA的電流消耗，因此可以提供更長的電池使用壽命和通話時間。
當大多數應用還是基于3G服務時，只有少數頻段可以從FBAR技術獲益，隨著4G/LTE多頻段智能手機的普及，FBAR技術的特性優勢，例如低插入損耗、陡峭濾波曲線、高隔離性和極小化的尺寸等已經成為所有主要智能手機制造商快速導入這個技術的原因，目前采用FBAR技術的濾波器、雙工器以及多工器產品已經被導入美國、歐洲和亞洲等地區15個不同工作頻段的智能手機設計中，隨著新濾波挑戰的出現，FBAR技術將繼續成為提供解答的優先選擇，也就是說，FBAR技術已經成為主流。
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