一文了解多路復(fù)用器濾波器

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

了解多路復(fù)用器

多路復(fù)用器是一組射頻(RF)濾波器，它們組合在一起，但不會(huì)彼此加載，可以在輸出之間實(shí)現(xiàn)高度隔離。多路復(fù)用器被用于RF前端中靠近功率放大器(PA)的位置，對(duì)于載波聚合(CA)產(chǎn)生很大影響；天線復(fù)用器被用在射頻前端后面，以簡(jiǎn)化與天線之間的路由。多路復(fù)用器濾波器可以包含多種濾波器，都集成在一個(gè)封裝中。圖1提供了嵌入在復(fù)雜的模塊設(shè)計(jì)中的多種類型的濾波器的示意圖。圖中的這些單獨(dú)的雙工器、帶通濾波器和陷波濾波器也可以成為多路復(fù)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(fù)用器

一個(gè)簡(jiǎn)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(fù)雜的多路復(fù)用器設(shè)計(jì)。就像頻分雙工(FDD)頻段是1和3，時(shí)分雙工(TDD)濾波器是頻段41。

如今的無(wú)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(gè)不重疊的濾波器頻段集成到一個(gè)多路復(fù)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(fù)用器設(shè)計(jì)，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(fù)用器使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化、縮小和簡(jiǎn)化整體設(shè)計(jì)，以滿足系統(tǒng)要求。

多路復(fù)用器是一種非常好的解決方案，并且在許多情況下，對(duì)于使用小間隔頻段的載波聚合 (CA) 組合，多路復(fù)用器是唯一切實(shí)可行的解決方案。多路復(fù)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(gè)元件中，不僅進(jìn)行了必要的隔離，而且允許多個(gè) CC同時(shí)連接到天線。

圖2：多路復(fù)用器濾波器的類型

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

TIPS

憑借高集成度，設(shè)計(jì)優(yōu)良的多路復(fù)用器能夠?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備工程師帶來(lái)更多好處。與使用分立式濾波器相比，將多個(gè)濾波器整合至單個(gè)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(fù)雜的系統(tǒng)中使用可調(diào)濾波器，有過(guò)一些討論。然而，使用可調(diào)濾波器可能不會(huì)提升系統(tǒng)的功能性，因?yàn)槿缃竦乃邢到y(tǒng)都需要同時(shí)使用多個(gè)RF路徑。為了適應(yīng)這種多路徑功能，可調(diào)濾波器可能變得更加復(fù)雜，所以制造商一直在推動(dòng)將更高級(jí)的多路復(fù)用器設(shè)計(jì)用于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，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(cè)量

了解多路復(fù)用器隔離和交叉隔離

前文提到過(guò)，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(hào)出現(xiàn)在RF電路或系統(tǒng)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)信號(hào)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(yīng)的Rx頻率輸出端對(duì)Tx信號(hào)進(jìn)行大幅衰減。對(duì)于四工器這樣的多路復(fù)用器，需要在兩個(gè)接收輸出端對(duì)Tx信號(hào)進(jìn)行大幅衰減。同樣，現(xiàn)在必須在兩個(gè)Rx輸出端隔離Rx頻率下的Tx信號(hào)，以控制Rx頻段下的噪聲。當(dāng)您考慮所有的情況時(shí)，四工器中有八個(gè)重要的隔離，而雙工器中只有兩個(gè)。圖4展示了頻段1 Tx和Rx之間的隔離測(cè)量（上方的圖）。對(duì)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(cè)量（下方的圖）。交叉隔離是對(duì)同一個(gè)組件中的兩個(gè)不同的Tx至Rx頻段之間的測(cè)量，隔離是對(duì)同一個(gè)頻段的Tx和Rx之間的測(cè)量。

圖4：頻段1 Rx隔離，以及頻段1和7 Tx交叉隔離的測(cè)量

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

了解多路復(fù)用器和載波聚合

CA是RFFE的另一個(gè)復(fù)雜功能。濾波器技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)采用基于長(zhǎng)期演進(jìn)(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(qiáng)和材料摻雜方面的進(jìn)步有助于實(shí)現(xiàn)高OOB衰減、低回波損耗和啟用多路復(fù)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(fù)用器的重要性會(huì)不斷增加。例如，聚合三個(gè)或更多的CC會(huì)顯著增加使用緊密連接的頻段的可能性。這些機(jī)會(huì)增加了使用多路復(fù)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(guò)組合兩個(gè)或多個(gè)載波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。隨著越來(lái)越多的波段被添加到組合選項(xiàng)中，CA變得更加復(fù)雜。5G定義了數(shù)百種最多可達(dá)16個(gè)CC的新組合，每種組合的連續(xù)帶寬可達(dá)100MHz，總聚合帶寬可達(dá)1GHz左右。

CA可以分為三類，如圖5所示：

帶內(nèi)連續(xù)聚合：當(dāng)頻譜模塊是同一頻段內(nèi)相鄰的頻譜時(shí)使用。

帶內(nèi)非連續(xù)聚合：當(dāng)頻譜模塊在相同的頻段內(nèi)彼此獨(dú)立時(shí)使用。

帶內(nèi)聚合：不同頻段中的頻譜聚合。這些頻段可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)用器濾波器支持使用多種CA組合。**通過(guò)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(fù)用器。**這種低插入損耗最大程度降低了對(duì)功率放大器電流消耗和設(shè)備電池使用壽命的負(fù)面影響。像BAW這樣的增強(qiáng)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(jí)性能。

重要的是要注意CA有更大幾率會(huì)導(dǎo)致干擾。多頻段信號(hào)可能因?yàn)V波器衰減不足而相互干擾。當(dāng)Tx和Rx路徑之間的隔離或交叉隔離不足時(shí)，也會(huì)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(fù)用器中使用的低溫補(bǔ)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(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

此外，在CA應(yīng)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(dǎo)致系統(tǒng)噪聲增加，所以設(shè)計(jì)人員必須采用接收器路徑。插入損耗如果不佳，也會(huì)降低整體的PA效率，降低電池使用壽命和設(shè)備信號(hào)范圍。

移動(dòng)設(shè)備采用高速上行/下行鏈路來(lái)傳輸視頻和數(shù)據(jù)。接收器的靈敏度會(huì)受到噪聲的影響，進(jìn)而影響信號(hào)的接收。該噪聲會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)減敏。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。

EN-DC多路復(fù)用器和載波聚合

4G LTE-Advanced Pro支持多達(dá)5個(gè)CC。5G新無(wú)線電 (NR) CA支持多達(dá)16個(gè)連續(xù)和非連續(xù)的CC，可以聚合頻譜高達(dá)約1GHz的新5G頻段，如圖6所示。雙連接允許用戶設(shè)備同時(shí)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(shí)在兩個(gè)單元小組（主進(jìn)化節(jié)點(diǎn)B [eNB] 和次節(jié)點(diǎn)eNB）的多個(gè)CC上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用演進(jìn)的通用陸地?zé)o線接入 (E-UTRA)（這是3GPP的無(wú)線接口）和5G NR雙連接或E-UTRA NR雙連接 (EN-DC) 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以利用4G和5G頻譜來(lái)增加用戶吞吐量，提供移動(dòng)信號(hào)可靠性，并支持eNB的負(fù)載均衡。

非獨(dú)立和EN-DC

5G無(wú)線電訪問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)允許采用多種NR部署選項(xiàng)，例如非獨(dú)立 (NSA) 和獨(dú)立 (SA)。NSA使用的方案與CA非常相似。它組合采用LTE錨頻段進(jìn)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(méi)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(shí)使用。使用EN-DC時(shí)，一個(gè)設(shè)備傳輸兩個(gè)高功率RF信號(hào)。

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

圖7：LTE和5G NR CA

這兩條信號(hào)路徑之間的高度隔離對(duì)于限制互調(diào)產(chǎn)物和滿足OOB發(fā)射規(guī)范來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。此外，在信號(hào)路徑之間使用高度隔離的多路復(fù)用器，可在兩個(gè)上行鏈路信號(hào)之間實(shí)現(xiàn)共存，進(jìn)而提高效率，使智能手機(jī)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以節(jié)省電池用電和能源。

審核編輯：湯梓紅