『这个知识不太冷』了解多路复用器滤波器

原创 Qorvo半导体 2024-01-16 10:40

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『这个知识不太冷』系列，旨在帮助小伙伴们唤醒知识的记忆，将挑选一部分Qorvo划重点的知识点，结合产业现状解读，以此温故知新、查漏补缺。

本章将更深入地介绍多路复用器滤波器，以及它们如何用于各种应用中。您将了解到多路复用器如何帮助设计人员创造出更复杂的无线产品。

了解多路复用器

多路复用器是一组射频(RF)滤波器，它们组合在一起，但不会彼此加载，可以在输出之间实现高度隔离。多路复用器被用于RF前端中靠近功率放大器(PA)的位置，对于载波聚合(CA)产生很大影响；天线复用器被用在射频前端后面，以简化与天线之间的路由。多路复用器滤波器可以包含多种滤波器，都集成在一个封装中。图1提供了嵌入在复杂的模块设计中的多种类型的滤波器的示意图。图中的这些单独的双工器、带通滤波器和陷波滤波器也可以成为多路复用器群组的一部分，称为四工器、五工器和六工器，如图2所示。

图1：功能框图中的带通滤波器、双工器、陷波和多路复用器

一个简单的双工器可以与其他的双工器和滤波器组合，创建更复杂的多路复用器设计。就像频分双工(FDD)频段是1和3，时分双工(TDD)滤波器是频段41。

如今的无线系统和设备必须支持更多的功能，所以它们需要使用更加小巧的组件。将多个不重叠的滤波器频段集成到一个多路复用器中，可帮助减少射频前端(RFFE)的组件数量和尺寸。图2展示了一些类型的多路复用器设计，它们帮助减少总体的RFFE组件数量，以满足新设备减小尺寸的要求。多路复用器使系统设计人员能够优化、缩小和简化整体设计，以满足系统要求。

多路复用器是一种非常好的解决方案，并且在许多情况下，对于使用小间隔频段的载波聚合 (CA) 组合，多路复用器是唯一切实可行的解决方案。多路复用器将聚合分量载波(CC)所需的所有发射和接收滤波器集成至一个元件中，不仅进行了必要的隔离，而且允许多个 CC同时连接到天线。

图2：多路复用器滤波器的类型

为了获得所要求的性能，多路复用器滤波器必须经过精心协同设计和匹配。图3显示了每个滤波器的六工器RF插入损耗。正如大家所看到的，这个多路复用器（六工器）中的每个双工器都是匹配的，以实现最佳插入损耗和通带。此外，单个滤波器的设计确保它们不会相互加载。

TIPS

凭借高集成度，设计优良的多路复用器能够为移动设备工程师带来更多好处。与使用分立式滤波器相比，将多个滤波器整合至单个组件可以节省关键的印刷电路板空间。

关于在这些复杂的系统中使用可调滤波器，有过一些讨论。然而，使用可调滤波器可能不会提升系统的功能性，因为如今的所有系统都需要同时使用多个RF路径。为了适应这种多路径功能，可调滤波器可能变得更加复杂，所以制造商一直在推动将更高级的多路复用器设计用于更复杂的设计，例如八工器，它具有八条RF功能路径。

图3：B1+B3+B7 六工器滤波器插入损耗测量

了解多路复用器隔离和交叉隔离

前文提到过，隔离程度和交叉隔离都是值得关注的重要参数。隔离程度是滤波器防止信号出现在RF电路或系统的某个节点上的能力。例如，需要在发射或接收路径提供高水平隔离，以免各个信号相互渗透。

交叉隔离是指跨频段的隔离，如图4所示。双工器要求在相应的Rx频率输出端对Tx信号进行大幅衰减。对于四工器这样的多路复用器，需要在两个接收输出端对Tx信号进行大幅衰减。同样，现在必须在两个Rx输出端隔离Rx频率下的Tx信号，以控制Rx频段下的噪声。当您考虑所有的情况时，四工器中有八个重要的隔离，而双工器中只有两个。图4展示了频段1 Tx和Rx之间的隔离测量（上方的图）。对于相同的组件，我们展示频段3 Rx和频段7 Tx之间的交叉隔离测量（下方的图）。交叉隔离是对同一个组件中的两个不同的Tx至Rx频段之间的测量，隔离是对同一个频段的Tx和Rx之间的测量。

图4：频段1 Rx隔离，以及频段1和7 Tx交叉隔离的测量

多路复用器有助于实现聚合RF路径之间所需的交叉隔离，以实现在所有聚合载波上同步通信，同时衰减每个路径的带外(OOB)信号。

了解多路复用器和载波聚合

CA是RFFE的另一个复杂功能。滤波器技术的进步是推动采用基于长期演进(LTE)、4G和 5G的载波聚合(CA)的关键。滤波器材料在耦合、氮化铝增强和材料掺杂方面的进步有助于实现高OOB衰减、低回波损耗和启用多路复用器滤波器CA所需的交叉隔离。

随着CA CC数量的增加，多路复用器的重要性会不断增加。例如，聚合三个或更多的CC会显著增加使用紧密连接的频段的可能性。这些机会增加了使用多路复用器的可能性，例如四工器或六工器。

CA使微波设备能够通过组合两个或多个载波信号来实现更高的数据速率。随着越来越多的波段被添加到组合选项中，CA变得更加复杂。5G定义了数百种最多可达16个CC的新组合，每种组合的连续带宽可达100MHz，总聚合带宽可达1GHz左右。

CA可以分为三类，如图5所示：

» 带内连续聚合：当频谱模块是同一频段内相邻的频谱时使用。

» 带内非连续聚合：当频谱模块在相同的频段内彼此独立时使用。

» 带内聚合：不同频段中的频谱聚合。这些频段可能远远隔开，或连在一起。

图5：三种类型的CA

具有高OOB抑制的线性多路复用器滤波器支持使用多种CA组合。通过使用最新的滤波器技术，例如BAW，工程师可以使用最小插入损耗低于或约为1分贝 (dB) 的多路复用器。这种低插入损耗最大程度降低了对功率放大器电流消耗和设备电池使用寿命的负面影响。像BAW这样的增强型滤波器技术还提供出色的频段隔离和交叉隔离，以获得最佳的系统级性能。

重要的是要注意CA有更大几率会导致干扰。多频段信号可能因滤波器衰减不足而相互干扰。当Tx和Rx路径之间的隔离或交叉隔离不足时，也会发生系统减敏，从而造成接收器灵敏度降低的情况。

多路复用器中使用的低温补偿滤波器技术非常适合用于跨频段优化隔离、衰减和OOB衰减性能，帮助设计人员应对这些挑战。

此外，在CA应用中，与滤波器一起使用的RFFE开关需要超高的线性度和低插入损耗。由于插入损耗的增加可能导致系统噪声增加，所以设计人员必须采用接收器路径。插入损耗如果不佳，也会降低整体的PA效率，降低电池使用寿命和设备信号范围。

移动设备采用高速上行/下行链路来传输视频和数据。接收器的灵敏度会受到噪声的影响，进而影响信号的接收。该噪声会导致系统减敏。减敏是由于噪声源导致的接收器灵敏度下降，这些噪声源通常是由相同的设备无线电产生的。

EN-DC多路复用器和载波聚合

4G LTE-Advanced Pro支持多达5个CC。5G新无线电 (NR) CA支持多达16个连续和非连续的CC，可以聚合频谱高达约1GHz的新5G频段，如图6所示。双连接允许用户设备同时发送和接收数据。再加上CA，可以增加网络的数据容量。

图6：LTE和5G NR CA

双连接也广泛用于新的5G设备中。双连接使用户设备能够同时在两个单元小组（主进化节点B [eNB] 和次节点eNB）的多个CC上发送和接收数据。使用演进的通用陆地无线接入 (E-UTRA)（这是3GPP的无线接口）和5G NR双连接或E-UTRA NR双连接 (EN-DC) 时，网络可以利用4G和5G频谱来增加用户吞吐量，提供移动信号可靠性，并支持eNB的负载均衡。

非独立和EN-DC

5G无线电访问网络(RAN) 专用于和现有的4G LTE网络配合使用。3GPP版本15标准允许采用多种NR部署选项，例如非独立 (NSA) 和独立 (SA)。NSA使用的方案与CA非常相似。它组合采用LTE锚频段进行控制，采用5G NR频段提供更快的数据速率，如图7所示。NSA是一种部署模型，在没有端到端5G网络的情况下提供5G服务。其中用到了EUTRA和NR双连接。在EN-DC中，LT和5G NR载波同时使用。使用EN-DC时，一个设备传输两个高功率RF信号。

这种配置需要在智能手机狭小的设备区域中集成两条完整的上行链路信号路径。这带来了很大的挑战，即需要避免两个强信号彼此干扰。在这些情况下，必须实现高隔离滤波。