【導(dǎo)讀】過(guò)去，手機(jī)通常只在特定地區(qū)的少數(shù)頻段中工作，濾波要求并不難達(dá)成，可能只需使用表面聲波濾波器即可。但是現(xiàn)在，手機(jī)會(huì)在同一時(shí)間于移動(dòng)通信、藍(lán)牙、WiFi等多個(gè)無(wú)線頻段工作，這就給射頻濾波器帶來(lái)了挑戰(zhàn)。FBAR濾波器技術(shù)，帶來(lái)了4G/LTE下智能手機(jī)射頻濾波器解決方法。
隨著新一代手機(jī)的推出，智能手機(jī)可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的條件下持續(xù)提供更多的功能，這些新產(chǎn)品的背后動(dòng)力來(lái)自于新的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如4G和LTE技術(shù)的推出，大多數(shù)人已經(jīng)把具有更快下載速度和更佳移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)與最新服務(wù)畫(huà)上等號(hào)，正如預(yù)期，幾乎絕大多數(shù)的產(chǎn)業(yè)新聞都圍繞在最新型手機(jī)的功能上，例如電池續(xù)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(dǎo)體構(gòu)造方塊帶來(lái)如此令人驚艷的產(chǎn)品呢?
現(xiàn)代智能手機(jī)中一個(gè)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(yīng)用于通過(guò)需要并拒絕不要的頻率，以使手機(jī)中的許多接收器可以只處理預(yù)期的信號(hào)。在過(guò)去，手機(jī)通常只在全球特定地區(qū)的少數(shù)頻段中工作，然而對(duì)于現(xiàn)代化的手機(jī)，基本上會(huì)在相同時(shí)間于多個(gè)無(wú)線頻段工作，包括移動(dòng)通信、藍(lán)牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望設(shè)計(jì)出可在全球不同地區(qū)和不同電信運(yùn)營(yíng)商服務(wù)下工作的產(chǎn)品，要讓手機(jī)在更多頻段和地區(qū)工作代表了手機(jī)對(duì)射頻濾波的要求越來(lái)越高。
在前幾代的無(wú)線技術(shù)中，濾波要求并不難達(dá)成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)逐漸演進(jìn)到CDMA和3G，薄膜腔聲波諧振器(FBAR)技術(shù)非常適合美國(guó)PCS和部分其他頻段對(duì)于濾波的高挑戰(zhàn)性要求，為了可以利用目前的4G/LTE服務(wù)，智能手機(jī)本身變得更為復(fù)雜，因此手機(jī)制造商已經(jīng)開(kāi)始擴(kuò)大采用Avago的FBAR技術(shù)來(lái)解決以下即將討論4G/LTE所面對(duì)的獨(dú)特問(wèn)題。
射頻濾波器挑戰(zhàn)1：可在多個(gè)頻段工作的4G/LTE手機(jī)
最新的智能手機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上必須可在全球多個(gè)頻段工作，多頻段智能手機(jī)的整體尺寸并不會(huì)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(nèi)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(shù)，F(xiàn)BAR濾波器可以通過(guò)芯片級(jí)封裝滿足絕大多數(shù)的空間受限應(yīng)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(jiàn)的并行結(jié)構(gòu)，另外，F(xiàn)BAR器件的尺寸也會(huì)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(lái)3.5GHz的新4G/LTE頻段應(yīng)用。
也許FBAR技術(shù)中最重要的特性是可以支持高挑戰(zhàn)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(guó)PCS應(yīng)用的情況，其中上方發(fā)射頻率和下方接收頻率間的間隙非常窄，這個(gè)特性對(duì)于4G/LTE應(yīng)用而言更為重要，原因是發(fā)射和接收頻率間的間隙更窄。除此之外，現(xiàn)今的智能手機(jī)也必須在緊鄰現(xiàn)有2G/3G射頻服務(wù)的擁擠頻譜內(nèi)工作，還要避免可能影響甚至中斷數(shù)據(jù)服務(wù)的干擾，通常頻段間的過(guò)渡頻率大約在數(shù)MHz，有時(shí)甚至完全沒(méi)有防護(hù)頻帶。
圖1 FBAR濾波器響應(yīng)特性
FBAR濾波器帶來(lái)的價(jià)值優(yōu)勢(shì)之一可由美國(guó)使用的Band 13環(huán)境看出，這個(gè)由Verizon公司使用作為L(zhǎng)TE服務(wù)的頻段距離警察、消防和其他應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)使用的新公共安全無(wú)線電服務(wù)頻段僅2MHz，為了避免干擾PSR運(yùn)行，LTE標(biāo)準(zhǔn)要求在Band 13頻段上工作的手機(jī)必須大幅度降低發(fā)射功率，但功率的降低則會(huì)明顯影響網(wǎng)絡(luò)效率，減少可以服務(wù)的用戶數(shù)和服務(wù)質(zhì)量，大幅度降低數(shù)據(jù)吞吐量甚至導(dǎo)致掉線，通過(guò)結(jié)合帶溫度補(bǔ)償超快速轉(zhuǎn)折FBAR雙工器和高度線性化功率放大器于環(huán)境受到良好控制的集成前端模塊中，Avago創(chuàng)造了一個(gè)可以讓Band 13頻段手機(jī)全功率工作而不會(huì)干擾PSR運(yùn)行的產(chǎn)品，F(xiàn)BAR雙工器的性能可以說(shuō)是這類(lèi)產(chǎn)品的成功關(guān)鍵之一。
射頻濾波器挑戰(zhàn)2：運(yùn)行于更高數(shù)據(jù)率的4G/LTE智能手機(jī)
相較于3G服務(wù)，相同數(shù)據(jù)量下4G/LTE的下載速度大約可以達(dá)到10倍，也就是說(shuō)于同樣時(shí)間內(nèi)可被下載的數(shù)據(jù)量達(dá)到10倍，有幾種方法可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，4G/LTE會(huì)依檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度使用不同的調(diào)制方式，簡(jiǎn)單地說(shuō)，信噪比越高，數(shù)據(jù)率就愈高，如由QPSK轉(zhuǎn)換成QAM16/64調(diào)制。于通過(guò)單刀多擲開(kāi)關(guān)結(jié)合多個(gè)雙工器的多頻段4G/LTE手機(jī)上，檢測(cè)到的信號(hào)可能過(guò)低而影響數(shù)據(jù)率，F(xiàn)BAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號(hào)強(qiáng)度，帶來(lái)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而得到更好的用戶體驗(yàn)和更高的數(shù)據(jù)容量。
采用分頻多工調(diào)制的手機(jī)使用允許同時(shí)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射和接收的雙工器，由于發(fā)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(huì)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(shù)據(jù)率。
圖2 2.3GHz ~ 2.7GHz頻帶4G/LTE服務(wù)的防護(hù)頻帶
提高數(shù)據(jù)率的另一種方法是通過(guò)載波聚合，載波聚合以多于一個(gè)頻段的同時(shí)工作來(lái)提高下載數(shù)據(jù)率，部分新LTE頻段占據(jù)相對(duì)較小的頻譜，例如Band 25 (5MHz)，因此這是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以有效提高通信容量的方法。由于每個(gè)頻段的發(fā)射和接收會(huì)同時(shí)工作，因此不能夠使用開(kāi)關(guān)，從而使用多工器來(lái)結(jié)合各個(gè)發(fā)射和接收濾波器到相同的天線端口上，當(dāng)以多工器配置結(jié)合時(shí)，Avago的FBAR濾波器可以提供低信號(hào)損耗路徑，有助于最大限度地提高數(shù)據(jù)率。
下頁(yè)內(nèi)容：射頻濾波器的挑戰(zhàn)和解決方法
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射頻濾波器挑戰(zhàn)3：智能手機(jī)同時(shí)使用多個(gè)無(wú)線信號(hào)
目前很難找到?jīng)]有Wi-Fi連線功能的智能手機(jī)，依手機(jī)工作頻率不同，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波處理，手機(jī)發(fā)送的信號(hào)可能會(huì)干擾Wi-Fi的正常運(yùn)行，作為一個(gè)例子，歐洲的LTE Band 7 (2500MHz~2570MHz)的發(fā)射頻率就緊鄰歐洲Wi-Fi使用頻率(2401MHz~2488MHz)的上方，見(jiàn)圖2。
使用智能手機(jī)作為Wi-Fi熱點(diǎn)時(shí)，Wi-Fi會(huì)和4G/LTE無(wú)線信號(hào)同時(shí)工作，如果沒(méi)有卓越的濾波能力，Wi-Fi收發(fā)器就有可能被遮蔽或者受到Band 7頻帶上LTE信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀珹vago的ACMD-6107雙工器提供足夠的保護(hù)，允許運(yùn)行于更高頻率的Wi-Fi通道不會(huì)發(fā)生干擾，其他競(jìng)爭(zhēng)的濾波器產(chǎn)品無(wú)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(wú)法使用，和Avago的ACPF-7124 Wi-Fi共存濾波器配套組合，可以提供達(dá)到甚至超越系統(tǒng)要求的出色性能。
今天絕大多數(shù)的手機(jī)同時(shí)還支持GPS，甚至GLONASS服務(wù)，由于GPS/GLONASS信號(hào)通常功率非常低，大約在-125dBm ~ -150dBm，因此所有接近GPS頻率的發(fā)射信號(hào)都可能影響GPS/GLONASS接收器的靈敏度，AGPS-F001預(yù)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)、PCS和WiFi信號(hào)卓越的帶外遮蔽能力和良好的線性性能。
FBAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)
電池使用時(shí)間是一項(xiàng)經(jīng)常用來(lái)進(jìn)行手機(jī)性能測(cè)試并相互比較的重要特性，在接收側(cè)，我們討論了FBAR的較低插入損耗如何通過(guò)補(bǔ)償于射頻前端結(jié)合多頻段所帶來(lái)的較高損耗支持4G/LTE手機(jī)的更高數(shù)據(jù)率，另一個(gè)好處是，通過(guò)使手機(jī)可以檢測(cè)較微弱信號(hào)，擴(kuò)大移動(dòng)通信的覆蓋范圍，避免造成較差的接收能力甚至掉線。在發(fā)射側(cè)，較低的發(fā)射濾波器插入損耗代表了在相同天線發(fā)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(shù)，Avago的Band 4雙工器帶來(lái)的插入損耗改善大約在0.2dB ~ 0.5dB，相當(dāng)于節(jié)省達(dá)50mA的電流消耗，因此可以提供更長(zhǎng)的電池使用壽命和通話時(shí)間。
當(dāng)大多數(shù)應(yīng)用還是基于3G服務(wù)時(shí)，只有少數(shù)頻段可以從FBAR技術(shù)獲益，隨著4G/LTE多頻段智能手機(jī)的普及，F(xiàn)BAR技術(shù)的特性優(yōu)勢(shì)，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(jīng)成為所有主要智能手機(jī)制造商快速導(dǎo)入這個(gè)技術(shù)的原因，目前采用FBAR技術(shù)的濾波器、雙工器以及多工器產(chǎn)品已經(jīng)被導(dǎo)入美國(guó)、歐洲和亞洲等地區(qū)15個(gè)不同工作頻段的智能手機(jī)設(shè)計(jì)中，隨著新濾波挑戰(zhàn)的出現(xiàn)，F(xiàn)BAR技術(shù)將繼續(xù)成為提供解答的優(yōu)先選擇，也就是說(shuō)，F(xiàn)BAR技術(shù)已經(jīng)成為主流。
