詳解多路復用器濾波器

本章將更深入地介紹多路復用器濾波器，以及它們?nèi)绾斡糜诟鞣N應用中。您將了解到多路復用器如何幫助設(shè)計人員創(chuàng)造出更復雜的無線產(chǎn)品。

了解多路復用器

多路復用器是一組射頻(RF)濾波器，它們組合在一起，但不會彼此加載，可以在輸出之間實現(xiàn)高度隔離。多路復用器被用于RF前端中靠近功率放大器(PA)的位置，對于載波聚合(CA)產(chǎn)生很大影響；天線復用器被用在射頻前端后面，以簡化與天線之間的路由。多路復用器濾波器可以包含多種濾波器，都集成在一個封裝中。圖1提供了嵌入在復雜的模塊設(shè)計中的多種類型的濾波器的示意圖。圖中的這些單獨的雙工器、帶通濾波器和陷波濾波器也可以成為多路復用器群組的一部分，稱為四工器、五工器和六工器，如圖2所示。

圖1：功能框圖中的帶通濾波器、雙工器、陷波和多路復用器

一個簡單的雙工器可以與其他的雙工器和濾波器組合，創(chuàng)建更復雜的多路復用器設(shè)計。就像頻分雙工(FDD)頻段是1和3，時分雙工(TDD)濾波器是頻段41。

如今的無線系統(tǒng)和設(shè)備必須支持更多的功能，所以它們需要使用更加小巧的組件。將多個不重疊的濾波器頻段集成到一個多路復用器中，可幫助減少射頻前端(RFFE)的組件數(shù)量和尺寸。圖2展示了一些類型的多路復用器設(shè)計，它們幫助減少總體的RFFE組件數(shù)量，以滿足新設(shè)備減小尺寸的要求。多路復用器使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠優(yōu)化、縮小和簡化整體設(shè)計，以滿足系統(tǒng)要求。

多路復用器是一種非常好的解決方案，并且在許多情況下，對于使用小間隔頻段的載波聚合 (CA) 組合，多路復用器是唯一切實可行的解決方案。多路復用器將聚合分量載波(CC)所需的所有發(fā)射和接收濾波器集成至一個元件中，不僅進行了必要的隔離，而且允許多個 CC同時連接到天線。

圖2：多路復用器濾波器的類型

為了獲得所要求的性能，多路復用器濾波器必須經(jīng)過精心協(xié)同設(shè)計和匹配。圖3顯示了每個濾波器的六工器RF插入損耗。正如大家所看到的，這個多路復用器（六工器）中的每個雙工器都是匹配的，以實現(xiàn)最佳插入損耗和通帶。此外，單個濾波器的設(shè)計確保它們不會相互加載。

TIPS

憑借高集成度，設(shè)計優(yōu)良的多路復用器能夠為移動設(shè)備工程師帶來更多好處。與使用分立式濾波器相比，將多個濾波器整合至單個組件可以節(jié)省關(guān)鍵的印刷電路板空間。

關(guān)于在這些復雜的系統(tǒng)中使用可調(diào)濾波器，有過一些討論。然而，使用可調(diào)濾波器可能不會提升系統(tǒng)的功能性，因為如今的所有系統(tǒng)都需要同時使用多個RF路徑。為了適應這種多路徑功能，可調(diào)濾波器可能變得更加復雜，所以制造商一直在推動將更高級的多路復用器設(shè)計用于更復雜的設(shè)計，例如八工器，它具有八條RF功能路徑。

圖3：B1+B3+B7 六工器濾波器插入損耗測量

了解多路復用器隔離和交叉隔離

前文提到過，隔離程度和交叉隔離都是值得關(guān)注的重要參數(shù)。隔離程度是濾波器防止信號出現(xiàn)在RF電路或系統(tǒng)的某個節(jié)點上的能力。例如，需要在發(fā)射或接收路徑提供高水平隔離，以免各個信號相互滲透。

交叉隔離是指跨頻段的隔離，如圖4所示。雙工器要求在相應的Rx頻率輸出端對Tx信號進行大幅衰減。對于四工器這樣的多路復用器，需要在兩個接收輸出端對Tx信號進行大幅衰減。同樣，現(xiàn)在必須在兩個Rx輸出端隔離Rx頻率下的Tx信號，以控制Rx頻段下的噪聲。當您考慮所有的情況時，四工器中有八個重要的隔離，而雙工器中只有兩個。圖4展示了頻段1 Tx和Rx之間的隔離測量（上方的圖）。對于相同的組件，我們展示頻段3 Rx和頻段7 Tx之間的交叉隔離測量（下方的圖）。交叉隔離是對同一個組件中的兩個不同的Tx至Rx頻段之間的測量，隔離是對同一個頻段的Tx和Rx之間的測量。

圖4：頻段1 Rx隔離，以及頻段1和7 Tx交叉隔離的測量

多路復用器有助于實現(xiàn)聚合RF路徑之間所需的交叉隔離，以實現(xiàn)在所有聚合載波上同步通信，同時衰減每個路徑的帶外(OOB)信號。

了解多路復用器和載波聚合

CA是RFFE的另一個復雜功能。濾波器技術(shù)的進步是推動采用基于長期演進(LTE)、4G和 5G的載波聚合(CA)的關(guān)鍵。濾波器材料在耦合、氮化鋁增強和材料摻雜方面的進步有助于實現(xiàn)高OOB衰減、低回波損耗和啟用多路復用器濾波器CA所需的交叉隔離。

隨著CA CC數(shù)量的增加，多路復用器的重要性會不斷增加。例如，聚合三個或更多的CC會顯著增加使用緊密連接的頻段的可能性。這些機會增加了使用多路復用器的可能性，例如四工器或六工器。

CA使微波設(shè)備能夠通過組合兩個或多個載波信號來實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。隨著越來越多的波段被添加到組合選項中，CA變得更加復雜。5G定義了數(shù)百種最多可達16個CC的新組合，每種組合的連續(xù)帶寬可達100MHz，總聚合帶寬可達1GHz左右。

CA可以分為三類，如圖5所示：
? 帶內(nèi)連續(xù)聚合：當頻譜模塊是同一頻段內(nèi)相鄰的頻譜時使用。
? 帶內(nèi)非連續(xù)聚合：當頻譜模塊在相同的頻段內(nèi)彼此獨立時使用。
? 帶內(nèi)聚合：不同頻段中的頻譜聚合。這些頻段可能遠遠隔開，或連在一起。

圖5：三種類型的CA

具有高OOB抑制的線性多路復用器濾波器支持使用多種CA組合。通過使用最新的濾波器技術(shù)，例如BAW，工程師可以使用最小插入損耗低于或約為1分貝 (dB) 的多路復用器。這種低插入損耗最大程度降低了對功率放大器電流消耗和設(shè)備電池使用壽命的負面影響。像BAW這樣的增強型濾波器技術(shù)還提供出色的頻段隔離和交叉隔離，以獲得最佳的系統(tǒng)級性能。

重要的是要注意CA有更大幾率會導致干擾。多頻段信號可能因濾波器衰減不足而相互干擾。當Tx和Rx路徑之間的隔離或交叉隔離不足時，也會發(fā)生系統(tǒng)減敏，從而造成接收器靈敏度降低的情況。

多路復用器中使用的低溫補償濾波器技術(shù)非常適合用于跨頻段優(yōu)化隔離、衰減和OOB衰減性能，幫助設(shè)計人員應對這些挑戰(zhàn)。

此外，在CA應用中，與濾波器一起使用的RFFE開關(guān)需要超高的線性度和低插入損耗。由于插入損耗的增加可能導致系統(tǒng)噪聲增加，所以設(shè)計人員必須采用接收器路徑。插入損耗如果不佳，也會降低整體的PA效率，降低電池使用壽命和設(shè)備信號范圍。

移動設(shè)備采用高速上行/下行鏈路來傳輸視頻和數(shù)據(jù)。接收器的靈敏度會受到噪聲的影響，進而影響信號的接收。該噪聲會導致系統(tǒng)減敏。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(shè)備無線電產(chǎn)生的。

EN-DC多路復用器和載波聚合

4G LTE-Advanced Pro支持多達5個CC。5G新無線電 (NR) CA支持多達16個連續(xù)和非連續(xù)的CC，可以聚合頻譜高達約1GHz的新5G頻段，如圖6所示。雙連接允許用戶設(shè)備同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。再加上CA，可以增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量。

圖6：LTE和5G NR CA

雙連接也廣泛用于新的5G設(shè)備中。雙連接使用戶設(shè)備能夠同時在兩個單元小組（主進化節(jié)點B [eNB] 和次節(jié)點eNB）的多個CC上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用演進的通用陸地無線接入 (E-UTRA)（這是3GPP的無線接口）和5G NR雙連接或E-UTRA NR雙連接 (EN-DC) 時，網(wǎng)絡(luò)可以利用4G和5G頻譜來增加用戶吞吐量，提供移動信號可靠性，并支持eNB的負載均衡。

非獨立和EN-DC

5G無線電訪問網(wǎng)絡(luò)(RAN) 專用于和現(xiàn)有的4G LTE網(wǎng)絡(luò)配合使用。3GPP版本15標準允許采用多種NR部署選項，例如非獨立 (NSA) 和獨立 (SA)。NSA使用的方案與CA非常相似。它組合采用LTE錨頻段進行控制，采用5G NR頻段提供更快的數(shù)據(jù)速率，如圖7所示。NSA是一種部署模型，在沒有端到端5G網(wǎng)絡(luò)的情況下提供5G服務(wù)。其中用到了EUTRA和NR雙連接。在EN-DC中，LT和5G NR載波同時使用。使用EN-DC時，一個設(shè)備傳輸兩個高功率RF信號。

這種配置需要在智能手機狹小的設(shè)備區(qū)域中集成兩條完整的上行鏈路信號路徑。這帶來了很大的挑戰(zhàn)，即需要避免兩個強信號彼此干擾。在這些情況下，必須實現(xiàn)高隔離濾波。

圖7：LTE和5G NR CA

這兩條信號路徑之間的高度隔離對于限制互調(diào)產(chǎn)物和滿足OOB發(fā)射規(guī)范來說至關(guān)重要。此外，在信號路徑之間使用高度隔離的多路復用器，可在兩個上行鏈路信號之間實現(xiàn)共存，進而提高效率，使智能手機和移動網(wǎng)絡(luò)運營商可以節(jié)省電池用電和能源。