發布日期：2022-10-09 點擊率：68
一個高效、精美的建筑物和能源管理系統應包括對業主電力、煤氣和水進行自動記錄的功能。這樣不僅可以降低成本，控制出錯幾率，還可以免去費時的人工現場抄表作業。
先進抄表網絡基礎設施（AMI）系統用于記錄用戶數據。該系統通過無線電將數據傳送到公共事業部門的網絡中，再由能源管理系統對這些數據進行分析。收發機的靈敏性和選擇性對于AMI和網絡之間的可靠無線電連接至關重要。
通常有兩種AMI系統：簡單的單傳系統和復雜的收發系統。傳送機發送帶有專門定時的數據，而收發機則只有在受到確認正確接收的單元所輪詢后才發送數據（圖1）。
帶功率次放大器和SAW濾波器的AMI傳送機
帶功率次放大器和SAW濾波器的AMI收發機
圖1：傳送機和收發機電路
模塊化程序
為了保證可靠的數據傳輸，采用了各種各樣的模塊化方案。為此，作為一項規則，在多信道應用中，通常采用跳頻展頻(FHSS)或直接序列展頻(DSSS)技術。比較而言，單信道應用時，則采用振幅偏移鍵控法（ASK）或頻率鍵控(FSK)技術。AMI系統必須能夠處理這些調制程序。但是，無線射頻前端也必須具有高敏感度，且有很強的抗干擾能力。實際應用中，此類干擾通常來自其他無線射頻，比如無線電話或業余無線電愛好者。
現有的AMI系統使用SAW濾波器來抑制產生于IC的諧波和干擾發射信號。同時，它還可以保證高選擇性。例如，在濾波器放置在天線后面或前面的AMI收發機的接收區域時。
SAW濾波器在AMI系統中的典型應用
盡管一些半導體制造商提供IC時，總是聲稱無需SAW濾波器，但是，與那些要取代它們的各種濾波方案相比，SAW濾波器還是具有很大的優勢。例如，與LC濾波器相比較，即使是寬帶SAW濾波器也具有更高的選擇性、更低的插入損耗，因此其敏感度也更高（圖2）。SAW濾波器的另一個優點是具有更低的溫度系數。
寬帶SAW濾波器（紅色）與基于LC元件的第三順序（藍色）切比雪夫濾波器與之間的選擇性比較
圖2：SAW濾波器與LC濾波器的比較
電路布局的作用
對于LC和SAW濾波器而言，高選擇性通常意味著高插入損耗和更低的敏感度。電路布局在AMI系統中起了關鍵的作用，這一點可以通過四項計算得以說明（圖1-4）。在每個算式中，噪聲因數F或更常見的對數噪聲符號NF是衡量敏感度的參數。噪聲因數指的是信噪電壓比，它說明了與輸出時該比率有關的四極元件的輸入情況。公式如下：
或
其中：Si：輸出時的信號；So：輸入時的信號；Ni：輸入時的噪聲；No：四極輸出時的噪聲。如圖1的疊層所示，如果有兩個以上的四極元件，可通過下列公式計算總噪聲系數F1-n：
其中：
n 四極數目
Fn 噪聲因數
Gn n個四極的增益因數
直接安裝在天線后面的第一個四極起了關鍵的作用。原則上說，它的噪聲系數界定了總噪聲系數的范圍。
為簡便起見，在相應的開關布局舉例中，總噪聲系數的計算中忽略了傳送/接收（Tx/Rx）開關或平衡－不平衡轉換器。在這些舉例中，SAW濾波器 的插入損耗IL、增益G、LNA以及接收機IC的噪聲系數NF和噪聲因數F均具有同樣的值。同時，假設SAW濾波器的增益與其損耗相符，并假定它的噪聲系數為其IL的負值。
所有四個例子的參數條件如下：
LSAW = GSAW = -2.9 dB
GSAW (Linear) = 0.513
NFSAW = 2.9 dB → FSAW = 1.95
GLNA = 15 dB
GLNA (Linear) = 31.62
NFLNA = 1.5 dB → FLNA = 1.41
NFRxIC = 8 dB, NFRxIC (Linear) = 6.31
所有的例子都有各自的優點和缺點。在例4中，總噪聲系數是5.37 dB， 因此它的配置是基于無線射頻AMI系統的最佳解決方案。它的特點是敏感度和選擇性更高，再加上由于與第二個SAW濾波器對稱工作，共模抑制率得以改善。
例1：SAW濾波器—接收IC
F1-2 = 12.3 => NF = 10.9 dB
接收機IC的噪聲系數對噪聲有很大的影響。總噪聲系數是10.9 dB，接收機的敏感度大大降低。該結構的優點是能夠阻止SAW頻段以外的干擾信號，依次防止接收機IC的內部LNA達到飽和。為了大幅度降低噪聲系數，在SAW濾波器的前端必須設置一個高增益因數和低噪聲系數的階段。
例2：LNA – SAW –接收IC
F1-3 = 1.77 => NF = 2.48 dB
由于低噪聲系數LNA直接處于天線后面的第一階段，總噪聲系數NF大大降低。該配置的另一個優點是SAW濾波器同時具有平衡－不平衡轉換器的功能。這使得共模抑制率（CMRR）和選擇性都得以提高。
它的缺點是接收機更容易受到強干擾，如移動電話信號干擾。特別是在AMI系統通過移動電話將消費者數據傳送到輪詢基站時，強烈的信號可以促使LNA在傳輸過程中進入飽和狀態，并阻止接收機識別網狀網絡中另一系統發射的數據。
例3：SAW –LNA –接收IC
F1-3 = 3.08 => NF = 4.88 dB
轉換到布局3，即在低噪聲系數與干擾信號環境下得以提高的選擇性之間達成某種妥協。將SAW濾波器直接配置在天線后面，可以保護LNA并減少其飽和的可能性。
例4：SAW –LNA –SAW –接收IC
F1-4 = 3.45 => NF = 5.37 dB
圖中所示接收機前端擴展版本工作時的噪聲系數為5.37 dB。與例1 相比，此參數降幅很大。主要優點：高敏感度和選擇性，同時改善共模抑制。
愛普科斯SAW濾波器在AMI系統中的典型應用
各項性能均可靠
由于AMI系統通常是被安裝在惡劣的環境中，它不僅要具有高靈敏性和選擇性，其運行也要絕對可靠。因此，它的所有元件必須結構牢固，能抵抗溫度和濕度的定期變化，并具有防震功能。愛普科斯生產的SAW濾波器符合AEC-Q200的規定，完全可以滿足這些條件。一般來說，汽車電子協會（AEC）公布的應用標準被認為最嚴格的。因此，該標準也適合于檢驗元件在惡劣環境下使用的合格性。
為了滿足這一標準，SAW濾波器使用了陶瓷封裝，將石英或鉭酸鋰芯片粘合在底部。使用焊線將輸入和輸出針腳（包括底線針腳）與封裝連接。該機構可以使有功SAW結構得到保護，使封裝免受大多數應力的影響。濾波器是密封的，以免受潮，如包圍封裝的金屬蓋焊到了封裝的上側。除了牢固結構以外，靜電放電（ESD）敏感度也對AMI系統的可靠性起著關鍵的作用。
作者：Günther Schlegel （SAW無線終端應用部經理）
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