『這個(gè)知識(shí)不太冷』了解 RF 前端和濾波器

『這個(gè)知識(shí)不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識(shí)的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀，以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。

在網(wǎng)關(guān)、手機(jī)和其他無(wú)線設(shè)備中，濾波器技術(shù)是減少串?dāng)_干擾、保持峰值信號(hào)性能和優(yōu)化系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。如果沒(méi)有這些濾波器，設(shè)計(jì)人員將難以達(dá)到多項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)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(chǎn)品設(shè)計(jì)，幫助系統(tǒng)工程師降低或完全消除了系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)。此外，濾波器可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建可行的首選解決方案，從而縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。 閱讀本文，了解當(dāng)前應(yīng)用如何推動(dòng)RF前端 (RFFE) 中新的射頻(RF)濾波器設(shè)計(jì)。您可以查看濾波器系列，開(kāi)始了解雙工器、多路復(fù)用器和天線復(fù)用器，以及它們?nèi)绾斡糜谌缃竦膽?yīng)用中。 了解RFFE和RF濾波器

面對(duì)頻譜的快速增加、大量頻段被用于滿(mǎn)足速度和容量要求，再加上超寬帶 (UWB) 和車(chē)對(duì)萬(wàn)物 (C-V2X) 蜂窩網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)，濾波器技術(shù)在這些因素的推動(dòng)下不斷發(fā)展，以幫助實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻段之間的共存。作為RFFE的核心組件，RF濾波器廣泛應(yīng)用于基站、汽車(chē)、Wi-Fi、無(wú)線通信等領(lǐng)域。在接下來(lái)的章節(jié)中，我們將深入研究濾波器技術(shù)的技術(shù)方面以及它與FFE之間的關(guān)系。

了解雙工的作用雙工實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)通信信道上進(jìn)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(jìn)行發(fā)送和接收。一方在進(jìn)行發(fā)送時(shí)，另一方進(jìn)行接收。

? 全雙工：通信方可以同時(shí)發(fā)送和接收。

全雙工通過(guò)頻分雙工 (FDD) 實(shí)現(xiàn)，半雙工通過(guò)時(shí)分雙工 (TDD) 實(shí)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(gè)單獨(dú)的頻段或信道來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工通信。這兩個(gè)頻段的頻率以物理方式分隔（稱(chēng)為雙工帶隙），以防止產(chǎn)生干擾。

TDD通過(guò)半雙工鏈路來(lái)模擬全雙工通信，使用單個(gè)頻段進(jìn)行發(fā)送和接收。TDD分配快速交替的時(shí)隙來(lái)發(fā)送和接收通信設(shè)備的操作。雖然TDD傳輸是并發(fā)的而不是同時(shí)的，但由于TDD是高速發(fā)生的，通信方無(wú)法察覺(jué)到通信的間歇性質(zhì)。

介紹隔離和交叉隔離

雙工器常用于FDD無(wú)線電應(yīng)用，其中一個(gè)濾波器是發(fā)送(Tx)濾波器，另一個(gè)濾波器是接收(Rx)濾波器。雙工器的設(shè)計(jì)使得每個(gè)濾波器不會(huì)出現(xiàn)通帶加載錯(cuò)誤。

隔離程度用于測(cè)量從一個(gè)RF端口路徑泄露至另一個(gè)RF端口路徑的功率量。兩個(gè)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(hào)會(huì)彼此混入，導(dǎo)致干擾，或?qū)е?a target="_blank">接收器減敏（靈敏度降低）。

必須對(duì)接收濾波器輸出端的發(fā)送信號(hào)實(shí)施大幅衰減。必須實(shí)施這種高水平的隔離，以免信號(hào)過(guò)度驅(qū)動(dòng)接收器的前端。這種隔離通常被稱(chēng)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(lái)自發(fā)送信號(hào)（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(dǎo)致靈敏度降低。這兩項(xiàng)隔離需求促使實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)隔離。

隨著無(wú)線設(shè)備不斷發(fā)展，每一代設(shè)備的RF路徑之間的隔離變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。例如，現(xiàn)在有些智能手機(jī)型號(hào)是可以折疊的，如圖2所示。這些手機(jī)不止集成多根天線，以在蜂窩、Wi-Fi、全球定位系統(tǒng)(GPS)/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、UWB、毫米波 (mmWave) 和藍(lán)牙范圍內(nèi)提供服務(wù)，還需要解決一些挑戰(zhàn)，因?yàn)楝F(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(biāo)準(zhǔn)和緊密對(duì)齊的天線之間的隔離變得更加重要。RF濾波器設(shè)計(jì)人員必須付出更多努力來(lái)滿(mǎn)足更嚴(yán)格的隔離、通帶和衰減參數(shù)，確保這些折疊手機(jī)能夠不受干擾，正常運(yùn)行。

?圖2：具有多根天線的折疊手機(jī)

了解RF接收器減敏和靈敏度

接收機(jī)靈敏度是指數(shù)字無(wú)線電接收機(jī)的最小可檢測(cè)接收信號(hào)功率。如果無(wú)線接收器減敏，這意味著電磁干擾會(huì)導(dǎo)致本底噪聲升高。這種干擾會(huì)降低接收到的信噪比，降低接收器的性能吞吐量（相對(duì)于范圍）。

在RF干擾和高接收信號(hào)功率下保持接收機(jī)性能是無(wú)線電接收機(jī)的主要要求。

減敏是由于噪聲源導(dǎo)致的接收器靈敏度下降，這些噪聲源通常是由相同的設(shè)備無(wú)線電產(chǎn)生的。減敏是由電磁干擾引起的，電磁干擾可能來(lái)自?xún)?nèi)部源，也可能是系統(tǒng)內(nèi)部自行產(chǎn)生的強(qiáng)力干擾。大多數(shù)情況下，干擾是自行產(chǎn)生的。

了解RF前端選擇性/共存

在理想的濾波器中，通帶內(nèi)的插入損耗應(yīng)為0dB，在阻帶內(nèi)的插入損耗應(yīng)為負(fù)無(wú)窮大 (dB)。通帶和阻帶之間存在0dB到負(fù)無(wú)窮大的過(guò)渡。它可以在不增加或不從RF信號(hào)中去除某些因素的情況下傳輸所需的功率。但是，我們無(wú)法獲得這樣完美的濾波器。在真實(shí)的濾波器中，阻帶內(nèi)具有插入損耗、通帶紋波和非零增益，具體可參考『這個(gè)知識(shí)不太冷』探索 RF 濾波器技術(shù)（上）。

在給定應(yīng)用中，過(guò)渡頻段可能是決定濾波器有用性的一個(gè)關(guān)鍵特性。過(guò)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(hào)，無(wú)線電接收器必須能夠只接收所需的信號(hào)頻率，抑制不需要的信號(hào)。接收器的選擇性性能決定了接收器將會(huì)經(jīng)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(hào)的能力。在RFFE接收器中，選擇性是指抑制相鄰無(wú)用信號(hào)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(hào)之間的隔離程度。信號(hào)路徑之間的高度隔離也是限制互調(diào)產(chǎn)物和滿(mǎn)足帶外發(fā)射規(guī)范的重要因素。在定義選擇性時(shí)，接收器的濾波器性能是關(guān)鍵。

濾波器的選擇性也與品質(zhì)因數(shù)（Q因數(shù)）密切相關(guān)。降低濾波器的帶寬會(huì)使其Q因數(shù)增大。裙邊會(huì)變得更陡，濾波器的選擇性會(huì)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(lái)說(shuō)，要設(shè)計(jì)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(jìn)行權(quán)衡。

接收器必須具有辨別信號(hào)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(nèi)阻斷和帶外阻斷來(lái)判斷。

關(guān)于擁擠頻譜隨著我們繼續(xù)往已經(jīng)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(zhuǎn)換僅2MHz，這使其很難滿(mǎn)足系統(tǒng)級(jí)要求。由溫度漂移主導(dǎo)的濾波器響應(yīng)變化可能會(huì)超出頻段轉(zhuǎn)換自身的寬度。這可能導(dǎo)致干擾、低信號(hào)質(zhì)量，或兩者兼有。在這些情況下，濾波器最為有用。圖3舉例說(shuō)明了RF濾波器如何幫助分隔Wi-Fi和車(chē)對(duì)萬(wàn)物(V2X)頻段。在這種情況下，必須使用具有陡峭的帶外轉(zhuǎn)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(duì)其進(jìn)行配給。這迫使RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須率先解決設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)，例如減輕幾個(gè)頻譜區(qū)域的演進(jìn)產(chǎn)生的影響，例如Wi-Fi、汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和手機(jī)的頻譜區(qū)域，它們都會(huì)在頻譜演進(jìn)時(shí)相互融合。這些技術(shù)頻段需要使用幾乎無(wú)溫度漂移和具有出色的插入損耗的陡峭曲線濾波器來(lái)隔離信號(hào)，否則可能產(chǎn)生RF干擾。

了解小型器件應(yīng)用如何影響濾波器設(shè)計(jì)

所有無(wú)線設(shè)備解決方案的尺寸都在不斷減小。如今，Wi-Fi家用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和企業(yè)架構(gòu)被稱(chēng)為分布式Wi-Fi或Wi-Fi網(wǎng)格。它們以“每個(gè)房間一個(gè)pod”架構(gòu)為基礎(chǔ)，正越來(lái)越普及。這些Wi-Fi pod接入點(diǎn)或網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正變得越來(lái)越小巧。在移動(dòng)智能手機(jī)中，RF區(qū)域不斷縮小，以適應(yīng)更大的電池、更多的攝像頭和更多的RF路徑。在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)射塔中，RF部分隨著天線向塔頂移動(dòng)，要求RFFE變得更小，以滿(mǎn)足更高的發(fā)射和接收性能。

例如，受幾個(gè)因素影響，智能手機(jī)中的印刷電路板 (PCB) 面積不斷減小。手機(jī)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(shí)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(jī)已經(jīng)使用多達(dá)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(shè)計(jì)人員創(chuàng)建更小的前端組件，包括濾波器。

圖4：5G手機(jī)中體積更大的電池會(huì)占用更多印刷電路板空間

隨著增加新的天線來(lái)適應(yīng)許多新的和現(xiàn)有的頻段，必須具備高天線性能。為了實(shí)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(shí)際情況卻是空間變得越來(lái)越小。

為滿(mǎn)足這項(xiàng)要求，制造商面臨著一個(gè)艱難的架構(gòu)抉擇，而這個(gè)問(wèn)題以前是通過(guò)使用單獨(dú)的濾波器來(lái)解決的。制造商可以嘗試在一個(gè)不斷縮小的區(qū)域中增加更多的天線，但這可能會(huì)降低天線和系統(tǒng)級(jí)別的性能。他們也可以選擇在設(shè)計(jì)中使用新開(kāi)發(fā)的技術(shù)。比如，使用天線復(fù)用器來(lái)解決問(wèn)題——我們會(huì)在后續(xù)深入探討這個(gè)主題。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，天線復(fù)用器將多個(gè)RF濾波器組合在一起，使幾個(gè)不同的無(wú)線電（例如手機(jī)Wi-Fi、GPS和UWB）能共用一根天線。通過(guò)使用天線復(fù)用器，移動(dòng)設(shè)備可更有效地利用現(xiàn)有的天線面積，同時(shí)增加對(duì)新頻段的支持，且不會(huì)對(duì)現(xiàn)有外形尺寸或功能產(chǎn)生任何影響。天線復(fù)用器取消了使用單獨(dú)的天線的需求，同時(shí)可以滿(mǎn)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(fù)用器，Wi-Fi及蜂窩中頻段和超高頻段頻率可共用一個(gè)天線

Wi-Fi RFFE制造商也在利用前端模塊技術(shù)縮小產(chǎn)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(shí)尚的設(shè)備。通過(guò)使用集成多條RF路徑的前端模塊，如圖6所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以節(jié)約成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

?圖6：集成濾波器的Wi-Fi RF前端 在6GHz范圍內(nèi)增加多輸入/多輸出 (MIMO) 和更高的頻率會(huì)提高Wi-Fi網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)溫度。為了滿(mǎn)足更多的散熱和共存要求，必須使用支持高溫和多個(gè)頻率范圍的可靠RFFE組件。 為了解決這一挑戰(zhàn)，已開(kāi)發(fā)出多款具有溫度補(bǔ)償功能的濾波器技術(shù)。這一成果，加上創(chuàng)建完整的RFFE模塊解決方案，使Wi-Fi網(wǎng)關(guān)、汽車(chē)和5G領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠滿(mǎn)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(hào)性能。例如，當(dāng)Wi-Fi信號(hào)接近Wi-Fi信道頻段的邊沿時(shí)，例如信道1，并且信號(hào)正以全功率傳輸，就會(huì)在頻帶外發(fā)生一些“泄漏噪聲”。我們通常會(huì)降低這些信道的輸出功率來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但這會(huì)降低輸出功率信號(hào)輸出和范圍。使用RF濾波技術(shù)之后，在這些情況下則無(wú)需降低功率，同樣能夠降低帶外的無(wú)線電信號(hào)泄漏。這使得無(wú)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(fù)用器和天線復(fù)用器

單憑帶通濾波器和雙工器，已不足以確保在當(dāng)今復(fù)雜的RF設(shè)備中實(shí)現(xiàn)共存。我們需要使用更加復(fù)雜的濾波器技術(shù)來(lái)支持現(xiàn)今的連接設(shè)備和功能，例如手機(jī)和網(wǎng)關(guān)。在這些復(fù)雜的系統(tǒng)中，多路復(fù)用器和天線復(fù)用器相當(dāng)有用。

這些更復(fù)雜的濾波器技術(shù)之間有什么區(qū)別？圖7簡(jiǎn)明直觀地顯示了這些區(qū)別。天線復(fù)用器用于天線附近，幫助有效且高效地引導(dǎo)合適的信號(hào)進(jìn)入設(shè)備深處。使用天線復(fù)用器之后，無(wú)需再使用多個(gè)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(fù)用器可以將GPS、Wi-Fi和手機(jī)頻段組合起來(lái)，使用一根天線來(lái)支持所有這三條RF路徑。

?圖7：框圖中的天線復(fù)用器和多路復(fù)用器

多路復(fù)用器位于RF前端鏈更下方的位置，靠近收發(fā)器。多路復(fù)用器會(huì)分隔RF路徑，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并且減少對(duì)單個(gè)分立式RF濾波器的需求。它還提供載波聚合(CA) 支持，可以實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)吞吐量。

限于篇幅，接下來(lái)將在系列文章中進(jìn)一步深入探討這些濾波器，幫助大家更好地了解它們的優(yōu)勢(shì)，以及它們?nèi)绾斡糜赗F系統(tǒng)中。請(qǐng)持續(xù)關(guān)注“Qorvo半導(dǎo)體”，隨時(shí)掌握一手資訊！