针对4G/LTE智能手机的FBAR滤波器技术 - 全文

现代智能手机中一个非常重要的部分是射频(RF)滤波器，正如它的基本原理，滤波器主要应用于通过需要并拒绝不要的频率，以使手机中的许多接收器可以只处理预期的信号。在过去，手机通常只在全球特定地区的少数频段中工作，然而对于现代化的手机，基本上会在相同时间于多个无线频段工作，包括移动通信、蓝牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望设计出可在全球不同地区和不同电信运营商服务下工作的产品，要让手机在更多频段和地区工作代表了手机对射频滤波的要求越来越高。

在前几代的无线技术中，滤波要求并不难达成，可能只需使用表面声波滤波器即可，但随着运营商网络逐渐演进到CDMA和3G，安华高科技发现公司拥有的薄膜腔声波谐振器(FBAR)技术非常适合美国PCS和部分其他频段对于滤波的高挑战性要求，为了可以利用目前的4G/LTE服务，智能手机本身变得更为复杂，因此手机制造商已经开始扩大采用Avago的FBAR技术来解决以下即将讨论4G/LTE所面对的独特问题。

射频滤波器挑战1：可在多个频段工作的4G/LTE手机

最新的智能手机产品在设计上必须可在全球多个频段工作，多频段智能手机的整体尺寸并不会大于前一代，因此如果要在保留给射频前端电路的相同空间内加入更多的滤波器，那么非常明显地，滤波器本身必须非常小，藉助Microcap微型封装技术，FBAR滤波器可以通过芯片级封装满足绝大多数的空间受限应用。由于FBAR是基体型材料，因此可以提供非常良好的功率处理能力而不需要使用如SAW滤波器中常见的并行结构，另外，FBAR器件的尺寸也会随着频率的提高而缩小，这使得FBAR非常适合目前2300MHz到2700MHz，以及未来3.5GHz的新4G/LTE频段应用。

也许FBAR技术中最重要的特性是可以支持高挑战性频段分配的陡峭滤波曲线以及卓越的带外抑制能力，图1是先前提到美国PCS应用的情况，其中上方发射频率和下方接收频率间的间隙非常窄，这个特性对于4G/LTE应用而言更为重要，原因是发射和接收频率间的间隙更窄。除此之外，现今的智能手机也必须在紧邻现有2G/3G射频服务的拥挤频谱内工作，还要避免可能影响甚至中断数据服务的干扰，通常频段间的过渡频率大约在数MHz，有时甚至完全没有防护频带。

图1 FBAR滤波器响应特性

FBAR滤波器带来的价值优势之一可由美国使用的Band 13环境看出，这个由Verizon公司使用作为LTE服务的频段距离警察、消防和其他应急处理机构使用的新公共安全无线电服务频段仅2MHz，为了避免干扰PSR运行，LTE标准要求在Band 13频段上工作的手机必须大幅度降低发射功率，但功率的降低则会明显影响网络效率，减少可以服务的用户数和服务质量，大幅度降低数据吞吐量甚至导致掉线，通过结合带温度补偿超快速转折FBAR双工器和高度线性化功率放大器于环境受到良好控制的集成前端模块中，Avago创造了一个可以让Band 13频段手机全功率工作而不会干扰PSR运行的产品，FBAR双工器的性能可以说是这类产品的成功关键之一。

射频滤波器挑战2：运行于更高数据率的4G/LTE智能手机

相较于3G服务，相同数据量下4G/LTE的下载速度大约可以达到10倍，也就是说于同样时间内可被下载的数据量达到10倍，有几种方法可以用来实现更高的数据率，4G/LTE会依检测到的信号强度使用不同的调制方式，简单地说，信噪比越高，数据率就愈高，如由QPSK转换成QAM16/64调制。于通过单刀多掷开关结合多个双工器的多频段4G/LTE手机上，检测到的信号可能过低而影响数据率，FBAR的低插入损耗有助于极大化输入信号强度，带来更高的数据吞吐量，从而得到更好的用户体验和更高的数据容量。

采用分频多工调制的手机使用允许同时进行信号发射和接收的双工器，由于发射和接收滤波器连接到相同的天线端口，因此彼此间的滤波器隔离就非常重要，较高的隔离会将接收频段的噪声降至最低，而正如前面所讨论，这可以提高SNR和数据率。

图2 2.3GHz ~ 2.7GHz频带4G/LTE服务的防护频带

提高数据率的另一种方法是通过载波聚合，载波聚合以多于一个频段的同时工作来提高下载数据率，部分新LTE频段占据相对较小的频谱，例如Band 25 (5MHz)，因此这是一个网络运营商可以有效提高通信容量的方法。由于每个频段的发射和接收会同时工作，因此不能够使用开关，从而使用多工器来结合各个发射和接收滤波器到相同的天线端口上，当以多工器配置结合时，Avago的FBAR滤波器可以提供低信号损耗路径，有助于最大限度地提高数据率。

射频滤波器挑战3：智能手机同时使用多个无线信号

目前很难找到没有Wi-Fi连线功能的智能手机，依手机工作频率不同，如果没有经过适当的滤波处理，手机发送的信号可能会干扰Wi-Fi的正常运行，作为一个例子，欧洲的LTE Band 7 (2500MHz~2570MHz)的发射频率就紧邻欧洲Wi-Fi使用频率(2401MHz~2488MHz)的上方，见图2。

使用智能手机作为Wi-Fi热点时，Wi-Fi会和4G/LTE无线信号同时工作，如果没有卓越的滤波能力，Wi-Fi收发器就有可能被遮蔽或者受到Band 7频带上LTE信号传输的影响，Avago的ACMD-6107双工器提供足够的保护，允许运行于更高频率的Wi-Fi通道不会发生干扰，其他竞争的滤波器产品无法有效提供所需的带外衰减能力，可能造成上方Wi-Fi频道无法使用，和Avago的ACPF-7124 Wi-Fi共存滤波器配套组合，可以提供达到甚至超越系统要求的出色性能。

今天绝大多数的手机同时还支持GPS，甚至GLONASS服务，由于GPS/GLONASS信号通常功率非常低，大约在-125dBm ~ -150dBm，因此所有接近GPS频率的发射信号都可能影响GPS/GLONASS接收器的灵敏度，AGPS-F001预滤波器加LNA模块由于具有陡峭滤波和宽带衰减能力，因此可以提供移动网络、PCS和WiFi信号卓越的带外遮蔽能力和良好的线性性能。

FBAR技术优势

电池使用时间是一项经常用来进行手机性能测试并相互比较的重要特性，在接收侧，我们讨论了FBAR的较低插入损耗如何通过补偿于射频前端结合多频段所带来的较高损耗支持4G/LTE手机的更高数据率，另一个好处是，通过使手机可以检测较微弱信号，扩大移动通信的覆盖范围，避免造成较差的接收能力甚至掉线。在发射侧，较低的发射滤波器插入损耗代表了在相同天线发射功率下功率放大器所需的输出功率较低，相较于其他滤波器技术，Avago的Band 4双工器带来的插入损耗改善大约在0.2dB ~ 0.5dB，相当于节省达50mA的电流消耗，因此可以提供更长的电池使用寿命和通话时间。

当大多数应用还是基于3G服务时，只有少数频段可以从FBAR技术获益，随着4G/LTE多频段智能手机的普及，FBAR技术的特性优势，例如低插入损耗、陡峭滤波曲线、高隔离性和极小化的尺寸等已经成为所有主要智能手机制造商快速导入这个技术的原因，目前采用FBAR技术的滤波器、双工器以及多工器产品已经被导入美国、欧洲和亚洲等地区15个不同工作频段的智能手机设计中，随着新滤波挑战的出现，FBAR技术将继续成为提供解答的优先选择，也就是说，FBAR技术已经成为主流。