射频前端系统中滤波器的功能

射频前端系统中滤波器的功能,第1张

滤波器射频前端重要的模块之一。顾名思义,滤波器的主要功能是“滤波”,即通过有用信号,阻挡干扰信息。

射频前端系统中滤波器的功能,4a4b1aa6-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第2张

图:射频前端中的滤波器

在射频通信系统中,“频谱”是非常宝贵且拥挤的资源。除了与我们生活息息相关的5G、4G、Wi-Fi、GPS及蓝牙信号外,还有通信卫星、军用卫星以及气象监测等信号。在实际生活中,无线信号无处不在,所以,就需要射频“滤波器”将无用信号处理干净。

射频前端系统中滤波器的功能,4a6b9ab0-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第3张

图:拥挤的频谱资源

在射频前端系统中,滤波器的功能是:

用于发射时,滤波器可以将有用信号从众多噪声信号中过滤出来

用于接收时,滤波器可以将有用信号之外的干扰信号过滤干净

滤波器在发射及接收通路的功能如下图所示。

射频前端系统中滤波器的功能,4a97e214-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第4张

图:发射通路的滤波器特性

射频前端系统中滤波器的功能,4abb9d76-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第5张

图:接收通路的滤波特性

滤波器的主要衡量指标

滤波器的核心功能是通过特定频率信号,抑制带外信号,所以滤波器的主要指标有:

中心频率

带宽

插损

带外抑制

同时,放置在发射通路时,滤波器还需要考虑功率耐受特性以及温度特性,于是以下指标也是滤波器的主要评价指标:

温度特性

功率耐受

射频前端系统中滤波器的功能,4ae3bc98-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第6张

图:典型的滤波器频率响应示意图

中心频率及带宽

带通(带阻)滤波器的中心频率是指通带(阻带)的中心频率,带宽是指通带(阻带)最高频率与最低频率之差。

滤波器作为选频器件,中心频率及带宽是其基本指标。滤波器的分类通常也是根据工作频率而分,如B40、B3、B8、n41、n78滤波器等,就是指工作在相应频段的滤波器。

滤波器的带宽一般由根据3GPP的需求而确定。比如,按照3GPP的规定,B3的发射频率在1.71-1.785GHz,接收频率在1.805-1.880GHz,于是B3的发射滤波器和接收滤波器就需要分别覆盖75MHz的带宽。

插损

滤波器的插损是指滤波器对有用信号的衰减程度。

发射滤波器位于PA输出端,在PA输出功率相同的条件下,滤波器的插损越小,整个模块的输出功率就越大;同理,在模块发射功率相同的条件下,滤波器的插损越小,也就意味着需要PA输出的功率越小,PA的功耗就越低,模块就更省电。

接收滤波器位于LNA之前,其插损直接决定了对接收链路噪声系数的贡献,可以通过以下噪声系数计算公式看出。插损越大,系统NF越大。

射频前端系统中滤波器的功能,4b0dd99c-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第7张

因此,其他条件不变的情况下,减小滤波器插损,可以有效提高系统接收灵敏度。

阻抗及收敛性

阻抗,即滤波器的输入输出阻抗,收敛性是指阻抗随频率的变化程度。

阻抗及收敛性直接影响滤波器的输入输出反射系数。滤波器的阻抗需要与外部电路匹配,越接近目标阻抗,对有用信号的反射越小,带内插损就越小;阻抗越收敛,带内波动就越小。

射频前端系统中滤波器的功能,4b2f095a-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第8张

图:反射与阻抗收敛性

此外,滤波器阻抗还会影响系统其它部分。

如发射链路中,滤波器位于PA输出端,PA设计时为了达到最大输出功率,会采用LoadPull方法得到最佳输出阻抗。

当滤波器阻抗偏离50Ω时,会造成下列问题:

滤波器与匹配电路之间,以及滤波器与开关之间反射增加,链路插损增加;

PA输出端的阻抗偏离最佳输出阻抗,PA最大输出功率减小。

以上问题会导致发射链路输出功率减小,使系统性能下降。

带外抑制

带外抑制是指滤波器对通带以外的信号的衰减能力。滤波器进行带外抑制的原因如下:

发射通路

为了保证手机等终端能够正常工作,减小各频段间的干扰,3GPP对终端发射通道的带外抑制指标提出了一系列要求,包括对谐波、互调等非线性分量的抑制,以及CA/ENDC场景下多频段共存的带外抑制指标等(详见3GPP协议)。

由于PA本身对带外的抑制能力不足,所以需要在输出端加滤波器使最终的带外抑制指标符合3GPP规范。

接收通路

射频系统在接收时,来自外界或自身产生的干扰信号会导致接收端出现desense,即灵敏度恶化。

为了避免或减小desense,就需要滤波器对那些能够引入带内噪声的干扰进行抑制,具体要求就反映在带外抑制的指标上。

下表给出了滤波器需要考虑的一系列带外抑制点,具体抑制度需根据系统指标要求分析。

射频前端系统中滤波器的功能,4b5fa7b8-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第9张

表:滤波器带外抑制指标需求

温漂特性

滤波器的工作频率会随温度的变化产生漂移,该特性称为温漂。

温漂特性会使滤波器通带产生偏移,会影响通带的插损,尤其是通带边缘位置的插损,以及带外抑制度,如下图所示。

射频前端系统中滤波器的功能,4b8ea360-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第10张

滤波器温漂特性示意图

上图中,在同样的spec要求下,图(a)温漂较大,通带和阻带的一部分在高低温下已经不满足指标的要求。经过温度补偿处理后,图(b)温漂较小,高低温下均满足指标的要求。在滤波器设计时,需要尽量减小温漂,适当拓宽通带的范围,减小过渡带范围,保证偏移后的通带仍能覆盖目标频段,带外抑制仍能满足指标要求。

衡量滤波器温漂特性的指标是频率温度系数,即TCF,其计算方法如下:

射频前端系统中滤波器的功能,4bb1e280-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第11张

其中,T0(℃)和T1(℃)分别为两个温度点,

射频前端系统中滤波器的功能,4bd0932e-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第12张

(MHz)表示温度T0时对应的频率,

射频前端系统中滤波器的功能,4be2e1f0-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第13张

(MHz)表示温度为T1时对应的频率,二者之差为频率偏移量。

计算TCF时,一般取通带左右两边固定插损(如-20dB或-30dB)的频率点,计算其在不同温度下的偏移量。

对于SAW滤波器等声学滤波器,在不经过温补处理时,其温度系数一般为负值,即高温时整体频率向低频偏移,在使用时需要加以注意。

功率耐受

功率耐受指标表明滤波器对大功率的承受能力。

Tx滤波器位于PA输出端,需要承受PA输出的大功率信号,因此需要对Tx滤波器进行功率耐受指标评估。

小功率条件下,滤波器输出功率随着输入功率的增加而线性增加,当输入功率到达功率耐受临界点时,滤波器输出功率达到最大,进一步增加输入功率,滤波器将发生暂时或永久损坏,此时插损会大幅增加,输出功率大幅下降。下图为不同型号滤波器的功率耐受测试曲线。其中三颗滤波器耐受功率在34-34.5dBm。

射频前端系统中滤波器的功能,4bf75af4-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第14张

图:不同滤波器滤波器功率耐受曲线

在功率耐受测试中,需要重点关注的是通带高端的功率耐受性能。

因为大功率条件下,滤波器温度升高,通带向低频偏移,造成通带高端插损变大。插损越大,温度越高,会导致通带进一步向低频偏移,从而使通带高端插损更大,温度进一步上升。形成正反馈,进而导致器件损坏。

5G射频前端模组中的滤波器

目前5G大规模商用 的主要是5G 6GHz以下频段。在这部分频段中,根据频率的不同,分为Sub-3GHz与Sub-6GHz两部分。

Sub-3GHz频率位于3GHz频率以下,是原来4G LTE的频段的升级重新使用,所以又叫重耕(Re-farming)频段。这部分频段的特点是频谱众多、带宽较窄、较多FDD频段,需要对信号进行精准过滤才能够满足正常通信需求。

5G Sub-6GHz一般指6GHz以下、3GHz以上的新频段的部分,目前最主要的频段有n77(包含n78)、n79两个频段,这部分频段带宽宽、旁边基本无干扰频段,并且是TDD频段,不需要考虑发射及接收之间的干扰,可以减轻对滤波器带外抑制的需求。

射频前端系统中滤波器的功能,4c154a8c-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第15张

图:5G射频前端的频率覆盖,及对滤波器的特性需求

5G射频前端模组中用到的滤波器主要分类如下:

射频前端系统中滤波器的功能,4c324a2e-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第16张

图:5G射频前端模组的滤波器分类

LC滤波器是基于电感/电容的频率响应特性来进行滤波器设计,压电滤波器则利用材料的压电特性进行设计。在特性上,二者最大的区别就是带外抑制的区别。压电滤波器可以做到陡峭的带外抑制,适合于频谱拥挤、对T/Rx抑制有需要的FDD频段。

典型的LC滤波器与压电滤波器的频率响应对比如下图所示。以TF-SAW滤波器为例,其在±5%的带宽处即可达到30dB以上的带外抑制,而LC滤波器中的LTCC滤波器的带外滚降要平缓很多。不过,LC的滤波器可以做到大的通带带宽,这一点是压电滤波器较难做到的。

射频前端系统中滤波器的功能,4c5146d6-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第17张

图:LTCC与压电滤波器特性对比

LC滤波器

LC滤波器是基于电感/电容的频响来设计的滤波器。常见的电感/电容电路频率响应特性如下图所示。

射频前端系统中滤波器的功能,4c7a8c12-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第18张

图:典型LC滤波器频率响应

利用多级滤波器的设计方法,就可以设计出给定带宽、中心频率以及带内波动的滤波器。

在物理实现上,可以采用分立SMD器件、LTCC以及IPD等工艺实现。

分立SMD器件滤波器

采用分立SMD器件法是指将目标电容值与电感值以分立SMD的方式进行实现。这种实现方式的优点是设计灵活,易于调试;缺点是所占面积大,寄生效应影响明显。

分立SMD器件的制造工艺一般采用MLCC工艺,即多层陶瓷工艺。是将陶瓷浆粉通过研磨、涂布、叠层等工艺,在陶瓷衬底上,实现分立的SMD器件。下图为MLCC器件制造工艺图示。

射频前端系统中滤波器的功能,4c8ce2e0-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第19张

图:MLCC工艺流程图示

LTCC滤波器

LTCC工艺的中文名称是低温共烧陶瓷工艺(Low Temperature Co-fired Ceramic ),也是利用陶瓷烧结技术进行多层电路基板设计。

与LTCC对应的工艺还有HTCC(高温共烧陶瓷工艺,High Temperature Co-fired Ceramic),但因为LTCC工艺烧结温度低,只有1000度以下,这样就可以采用导电率高,但熔点较低的金属如金、银、铜等金属作为导体材料,所以LTCC工艺在高频、高速电路中有广泛的应用。

LTCC工艺相比于MLCC也有很大的相似之处,都是利用陶瓷和导体材料共同烧结形成的物理器件。但LTCC工艺可以一次性的集成更多的电感、电容器件,所以适合设计制造如滤波器、集成基板等较为复杂的无源器件。

射频前端系统中滤波器的功能,4cb93dcc-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第20张

图:LTCC工艺流程图示

正是由于以上特性,LTCC工艺在LC滤波器中也得到了广泛应用。

IPD滤波器

IPD的全称是集成无源器件(Integrated Passive Devices)。由于名称中有“集成”(Integrated)二字,所以必定和“集成电路”(Integrated Circuits)有很强的联系。

完整的集成电路器件既包含有源器件(AcTIve Devices),也包含无源器件(Passive Devices),同样利用半导体工艺,将其做最大化的简化,把有源器件舍弃,只做无源器件,就形成了IPD(集成无源器件)。IPD工艺与完整的半导体工艺对比如下图所示。

射频前端系统中滤波器的功能,4cf3b330-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第21张

图:完整半导体工艺和IPD工艺关系示意

IPD的优势是可以承接半导体工艺中的优势,即数量越大,平均单颗成本越低。但也因为需要采用半导体的工艺,在小批量时,不易获得成本优势。

另外,半导体工艺不容易实现较厚的金属,一般IPD器件的金属厚度在um级别,较薄的金属层也会对其Q值造成限制。

压电滤波器

压电滤波器(Piezoelectric Filter)是利用材料的压电效应所设计的滤波器。

压电材料的特性是可以将电信号转化为机械信号。射频中常用的压电效应是将电信号转化为机械信号中的d性波信号,在机械信号中进行处理后,再转化为电信号输出。由于所使用的d性波位于声波频率范围内,所以这种器件又叫声波器件(AcousTIc Wave Device)。

射频前端系统中滤波器的功能,4d110106-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第22张

图:声波器件工作原理

在声波器件中,最为常见的是SAW和BAW两种器件,两者全称分别为声表面波器件,和体声波器件(Surface AcousTIc Wave,Bulk AcousTIc Wave)。

从SAW和BAW的名字可以看出,二者都是利用了声学特性设计的器件,不过一种是使声波在表面传输,一种是使声波在“体”内传输。

下图分别为SAW和BAW器件的工作原理示意图。

射频前端系统中滤波器的功能,4d3181a6-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第23张

图:SAW滤波器工作原理示意图

射频前端系统中滤波器的功能,4d5360e6-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第24张

图:BAW滤波器工作原理示意图

压电滤波器的优势是可以利用声学器件极高的Q值,设计出窄带高抑制、低插损的滤波器。缺点是必须要用到压电材料,与集成电路中的半导体工艺不兼容。并且工艺敏感,对设计和制造工艺提出了高的要求。

5G射频前端模组中不同滤波器的对比如下图所示:

射频前端系统中滤波器的功能,4d781a3a-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第25张

图:5G模组中不同滤波器的对比

5G射频模组中的滤波器集成

不管是对于IPD、LTCC设计的LC滤波器,还是对于SAW、BAW技术设计的压电滤波器,都与射频前端中的PA、LNA以及开关设计中的GaAs、SOI、CMOS等半导体工艺不兼容,在模组设计中,采用系统级封装(SiP,System in Package)方式来集成实现模组集成。

射频前端系统中滤波器的功能,4dae1004-3873-11ed-ba43-dac502259ad0.png,第26张

图:5G射频前端模组的工艺实现

在5G集成模组中,除了对上述滤波器的主要衡量指标有要求外,还对滤波器尺寸、二次封装能力等提出了更高要求。由于封装进模组之后无法进行二次调试和替换,5G集成模组中滤波器还要求有高的一致性和可靠性。

总 结

滤波器是射频前端中的重要器件,负责完成信号的“滤波”功能。在滤波器评估中,频率和带宽、插损、抑制、温度特性和功率特性是重要的评价指标。

5G移动终端中常用的滤波器有LC滤波器和压电滤波器,分别在宽带、对抑制要求不高的场景,以及窄带、对抑制有高要求的场景中使用。

在5G高集成模组化演进中,滤波器也被不断集成进射频前端模组中来。在集成过程中,除了考虑常规滤波器指标外,还需要考虑滤波器的尺寸、二次封装能力、可靠性等指标。

在滤波器使用中,您觉得还有哪些需要注意的技术要点?欢迎留言讨论。

审核编辑:汤梓红

欢迎分享,转载请注明来源:内存溢出

原文地址: http://outofmemory.cn/dianzi/2997727.html

(0)
打赏 微信扫一扫 微信扫一扫 支付宝扫一扫 支付宝扫一扫
上一篇 2022-09-26
下一篇 2022-09-26

发表评论

登录后才能评论

评论列表(0条)

保存