一文解析RF 前端和濾波器

在網關、手機和其他無線設備中，濾波器技術是減少串擾干擾、保持峰值信號性能和優(yōu)化系統(tǒng)效率的關鍵。如果沒有這些濾波器，設計人員將難以達到多項系統(tǒng)級規(guī)格要求，從而提供統(tǒng)一且始終在線的連接。

濾波器大大改善了如今的最終產品設計，幫助系統(tǒng)工程師降低或完全消除了系統(tǒng)級挑戰(zhàn)。此外，濾波器可以為系統(tǒng)設計人員創(chuàng)建可行的首選解決方案，從而縮短設計時間。

閱讀本文，了解當前應用如何推動RF前端 (RFFE) 中新的射頻(RF)濾波器設計。您可以查看濾波器系列，開始了解雙工器、多路復用器和天線復用器，以及它們如何用于如今的應用中。

?了解RFFE和RF濾波器 ? ?

面對頻譜的快速增加、大量頻段被用于滿足速度和容量要求，再加上超寬帶 (UWB) 和車對萬物 (C-V2X) 蜂窩網絡等新技術，濾波器技術在這些因素的推動下不斷發(fā)展，以幫助實現(xiàn)多個頻段之間的共存。作為RFFE的核心組件，RF濾波器廣泛應用于基站、汽車、Wi-Fi、無線通信等領域。在接下來的章節(jié)中，我們將深入研究濾波器技術的技術方面以及它與FFE之間的關系。

了解雙工的作用 雙工實現(xiàn)了在單個通信信道上進行雙向通信。有兩種基本的雙工操作模式：

? 半雙工：通信方輪流進行發(fā)送和接收。一方在進行發(fā)送時，另一方進行接收。?

? 全雙工：通信方可以同時發(fā)送和接收。

全雙工通過頻分雙工 (FDD) 實現(xiàn)，半雙工通過時分雙工 (TDD) 實現(xiàn)，如圖1所示。

? 圖1：FDD與TDD上行鏈路和下行鏈路的比較

FDD使用兩個單獨的頻段或信道來實現(xiàn)全雙工通信。這兩個頻段的頻率以物理方式分隔（稱為雙工帶隙），以防止產生干擾。

TDD通過半雙工鏈路來模擬全雙工通信，使用單個頻段進行發(fā)送和接收。TDD分配快速交替的時隙來發(fā)送和接收通信設備的操作。雖然TDD傳輸是并發(fā)的而不是同時的，但由于TDD是高速發(fā)生的，通信方無法察覺到通信的間歇性質。

介紹隔離和交叉隔離

雙工器常用于FDD無線電應用，其中一個濾波器是發(fā)送(Tx)濾波器，另一個濾波器是接收(Rx)濾波器。雙工器的設計使得每個濾波器不會出現(xiàn)通帶加載錯誤。

隔離程度用于測量從一個RF端口路徑泄露至另一個RF端口路徑的功率量。兩個RF路徑之間的隔離程度越高，泄漏越低。如果隔離程度很低，信號會彼此混入，導致干擾，或導致接收器減敏（靈敏度降低）。

必須對接收濾波器輸出端的發(fā)送信號實施大幅衰減。必須實施這種高水平的隔離，以免信號過度驅動接收器的前端。這種隔離通常被稱為發(fā)送 - 接收隔離，隔離值通常為55分貝(dB)或更高。

在接收頻率下，也必須采用高水平的發(fā)送-接收隔離。這是為了防止來自發(fā)送信號（即在接收頻率下）寬偏置位置的噪聲出現(xiàn)在接收器輸入端，導致靈敏度降低。這兩項隔離需求促使實現(xiàn)帶內隔離。

隨著無線設備不斷發(fā)展，每一代設備的RF路徑之間的隔離變得越來越具有挑戰(zhàn)性。例如，現(xiàn)在有些智能手機型號是可以折疊的，如圖2所示。這些手機不止集成多根天線，以在蜂窩、Wi-Fi、全球定位系統(tǒng)(GPS)/全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、UWB、毫米波 (mmWave) 和藍牙范圍內提供服務，還需要解決一些挑戰(zhàn)，因為現(xiàn)在這些路徑彼此重疊，更容易發(fā)生干擾。這使得這些RF路徑、標準和緊密對齊的天線之間的隔離變得更加重要。RF濾波器設計人員必須付出更多努力來滿足更嚴格的隔離、通帶和衰減參數(shù)，確保這些折疊手機能夠不受干擾，正常運行。

? 圖2：具有多根天線的折疊手機

了解RF接收器減敏和靈敏度

接收機靈敏度是指數(shù)字無線電接收機的最小可檢測接收信號功率。如果無線接收器減敏，這意味著電磁干擾會導致本底噪聲升高。這種干擾會降低接收到的信噪比，降低接收器的性能吞吐量（相對于范圍）。

在RF干擾和高接收信號功率下保持接收機性能是無線電接收機的主要要求。

減敏是由于噪聲源導致的接收器靈敏度下降，這些噪聲源通常是由相同的設備無線電產生的。減敏是由電磁干擾引起的，電磁干擾可能來自內部源，也可能是系統(tǒng)內部自行產生的強力干擾。大多數(shù)情況下，干擾是自行產生的。

了解RF前端選擇性/共存

在理想的濾波器中，通帶內的插入損耗應為0dB，在阻帶內的插入損耗應為負無窮大 (dB)。通帶和阻帶之間存在0dB到負無窮大的過渡。它可以在不增加或不從RF信號中去除某些因素的情況下傳輸所需的功率。但是，我們無法獲得這樣完美的濾波器。在真實的濾波器中，阻帶內具有插入損耗、通帶紋波和非零增益。

在給定應用中，過渡頻段可能是決定濾波器有用性的一個關鍵特性。過渡頻段是通帶和阻帶之間的滾降的陡峭度。

接收器的選擇性也非常重要。由于要傳輸許多RF信號，無線電接收器必須能夠只接收所需的信號頻率，抑制不需要的信號。接收器的選擇性性能決定了接收器將會經受的干擾水平。因此，接收器需要能夠抑制不需要的頻率，使其性能不受干擾影響。

選擇性是指濾除信號的能力。在RFFE接收器中，選擇性是指抑制相鄰無用信號的能力。優(yōu)越的插入損耗和帶外衰減可以提升接收器上的信號之間的隔離程度。信號路徑之間的高度隔離也是限制互調產物和滿足帶外發(fā)射規(guī)范的重要因素。在定義選擇性時，接收器的濾波器性能是關鍵。

濾波器的選擇性也與品質因數(shù)（Q因數(shù)）密切相關。降低濾波器的帶寬會使其Q因數(shù)增大。裙邊會變得更陡，濾波器的選擇性會更高。因此，帶通濾波器的選擇性隨著Q因數(shù)的增加而增加。一般來說，要設計出具有出色選擇性的濾波器，需要在陡峭的裙邊、插入損耗和Q因數(shù)之間進行權衡。

接收器必須具有辨別信號的能力。接收器的選擇性通常用相鄰信道抑制(ACR)、相鄰信道選擇性(ACS)、帶內阻斷和帶外阻斷來判斷。

關于擁擠頻譜 隨著我們繼續(xù)往已經很擁擠的RF空間中擠入更多的頻段，頻譜空間繼續(xù)被擠壓。某些情況下，通帶與阻帶之間的轉換僅2MHz，這使其很難滿足系統(tǒng)級要求。由溫度漂移主導的濾波器響應變化可能會超出頻段轉換自身的寬度。這可能導致干擾、低信號質量，或兩者兼有。在這些情況下，濾波器最為有用。圖3舉例說明了RF濾波器如何幫助分隔Wi-Fi和車對萬物(V2X)頻段。在這種情況下，必須使用具有陡峭的帶外轉換的濾波器。

圖3：Wi-Fi頻譜和V2X頻段

由于頻譜是一種稀缺資源，政府必須對其進行配給。這迫使RF系統(tǒng)設計人員必須率先解決設計中的挑戰(zhàn)，例如減輕幾個頻譜區(qū)域的演進產生的影響，例如Wi-Fi、汽車、物聯(lián)網 (IoT) 和手機的頻譜區(qū)域，它們都會在頻譜演進時相互融合。這些技術頻段需要使用幾乎無溫度漂移和具有出色的插入損耗的陡峭曲線濾波器來隔離信號，否則可能產生RF干擾。

了解小型器件應用 如何影響濾波器設計

所有無線設備解決方案的尺寸都在不斷減小。如今，Wi-Fi家用網絡架構和企業(yè)架構被稱為分布式Wi-Fi或Wi-Fi網格。它們以“每個房間一個pod”架構為基礎，正越來越普及。這些Wi-Fi pod接入點或網格網絡設備正變得越來越小巧。在移動智能手機中，RF區(qū)域不斷縮小，以適應更大的電池、更多的攝像頭和更多的RF路徑。在無線基礎設施發(fā)射塔中，RF部分隨著天線向塔頂移動，要求RFFE變得更小，以滿足更高的發(fā)射和接收性能。

例如，受幾個因素影響，智能手機中的印刷電路板 (PCB) 面積不斷減小。手機制造商不斷增大電池尺寸，以支持新功能，例如集成更多的攝像頭和天線，以實現(xiàn)UWB、毫米波和多樣化的功能。為了支持Wi-Fi、低頻段、中頻段、高頻段、超高頻段、UWB和毫米波等廣泛的頻率范圍，我們需要使用更多天線，如今的多款智能手機已經使用多達6根天線。除了在小型RFFE模塊中集成這些濾波器之外，這還迫使RFFE系統(tǒng)設計人員創(chuàng)建更小的前端組件，包括濾波器。

圖4：5G手機中體積更大的電池會占用更多印刷電路板空間

隨著增加新的天線來適應許多新的和現(xiàn)有的頻段，必須具備高天線性能。為了實現(xiàn)高天線性能，天線需要保持足夠的體積和間距，但是，面臨的實際情況卻是空間變得越來越小。

為滿足這項要求，制造商面臨著一個艱難的架構抉擇，而這個問題以前是通過使用單獨的濾波器來解決的。制造商可以嘗試在一個不斷縮小的區(qū)域中增加更多的天線，但這可能會降低天線和系統(tǒng)級別的性能。他們也可以選擇在設計中使用新開發(fā)的技術。比如，使用天線復用器來解決問題——我們會在后續(xù)深入探討這個主題。

簡單來說，天線復用器將多個RF濾波器組合在一起，使幾個不同的無線電（例如手機Wi-Fi、GPS和UWB）能共用一根天線。通過使用天線復用器，移動設備可更有效地利用現(xiàn)有的天線面積，同時增加對新頻段的支持，且不會對現(xiàn)有外形尺寸或功能產生任何影響。天線復用器取消了使用單獨的天線的需求，同時可以滿足共存濾波和插入損耗的要求，如圖5所示。

圖5：利用天線復用器，Wi-Fi及蜂窩中頻段和超高頻段頻率可共用一個天線

Wi-Fi RFFE制造商也在利用前端模塊技術縮小產品尺寸，減少匹配組件的數(shù)量，減小印刷電路板的空間面積，創(chuàng)造更小、更時尚的設備。通過使用集成多條RF路徑的前端模塊，如圖6所示，系統(tǒng)設計人員可以節(jié)約成本，縮短設計時間，更快地將產品推向市場。

? 圖6：集成濾波器的Wi-Fi RF前端

在6GHz范圍內增加多輸入/多輸出 (MIMO) 和更高的頻率會提高Wi-Fi網關的系統(tǒng)溫度。為了滿足更多的散熱和共存要求，必須使用支持高溫和多個頻率范圍的可靠RFFE組件。

為了解決這一挑戰(zhàn)，已開發(fā)出多款具有溫度補償功能的濾波器技術。這一成果，加上創(chuàng)建完整的RFFE模塊解決方案，使Wi-Fi網關、汽車和5G領域的系統(tǒng)設計人員能夠滿足他們各自的要求。

Wi-Fi RFFE的RF發(fā)送端使用的一些濾波器可以幫助提升信號性能。例如，當Wi-Fi信號接近Wi-Fi信道頻段的邊沿時，例如信道1，并且信號正以全功率傳輸，就會在頻帶外發(fā)生一些“泄漏噪聲”。我們通常會降低這些信道的輸出功率來解決這個問題，但這會降低輸出功率信號輸出和范圍。使用RF濾波技術之后，在這些情況下則無需降低功率，同樣能夠降低帶外的無線電信號泄漏。這使得無線電能夠以最大功率范圍在這些邊沿信道中傳輸。 ? ?介紹多路復用器和天線復用器 ? ?

單憑帶通濾波器和雙工器，已不足以確保在當今復雜的RF設備中實現(xiàn)共存。我們需要使用更加復雜的濾波器技術來支持現(xiàn)今的連接設備和功能，例如手機和網關。在這些復雜的系統(tǒng)中，多路復用器和天線復用器相當有用。

這些更復雜的濾波器技術之間有什么區(qū)別？圖7簡明直觀地顯示了這些區(qū)別。天線復用器用于天線附近，幫助有效且高效地引導合適的信號進入設備深處。使用天線復用器之后，無需再使用多個分立式組件，還能減少系統(tǒng)中使用的天線的數(shù)量。例如，天線復用器可以將GPS、Wi-Fi和手機頻段組合起來，使用一根天線來支持所有這三條RF路徑。