『这个知识不太冷』了解 RF 前端和滤波器
发布时间：2023-12-27 14:33:05
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
『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。
在网关、手机和其他无线设备中，滤波器技术是减少串扰干扰、保持峰值信号性能和优化系统效率的关键。如果没有这些滤波器，设计人员将难以达到多项系统级规格要求，从而提供统一且始终在线的连接。
滤波器大大改善了如今的最终产品设计，帮助系统工程师降低或完全消除了系统级挑战。此外，滤波器可以为系统设计人员创建可行的首选解决方案，从而缩短设计时间。
了解RFFE和RF滤波器
面对频谱的快速增加、大量频段被用于满足速度和容量要求，再加上超宽带 (UWB) 和车对万物 (C-V2X) 蜂窝网络等新技术，滤波器技术在这些因素的推动下不断发展，以帮助实现多个频段之间的共存。作为RFFE的核心组件，RF滤波器广泛应用于基站、汽车、Wi-Fi、无线通信等领域。在接下来的章节中，我们将深入研究滤波器技术的技术方面以及它与FFE之间的关系。
了解双工的作用
双工实现了在单个通信信道上进行双向通信。有两种基本的双工操作模式：
» 半双工：通信方轮流进行发送和接收。一方在进行发送时，另一方进行接收。
» 全双工：通信方可以同时发送和接收。
全双工通过频分双工 (FDD) 实现，半双工通过时分双工 (TDD) 实现，如图1所示。
图1：FDD与TDD上行链路和下行链路的比较
FDD使用两个单独的频段或信道来实现全双工通信。这两个频段的频率以物理方式分隔（称为双工带隙），以防止产生干扰。
TDD通过半双工链路来模拟全双工通信，使用单个频段进行发送和接收。TDD分配快速交替的时隙来发送和接收通信设备的操作。虽然TDD传输是并发的而不是同时的，但由于TDD是高速发生的，通信方无法察觉到通信的间歇性质。
介绍隔离和交叉隔离
双工器常用于FDD无线电应用，其中一个滤波器是发送(Tx)滤波器，另一个滤波器是接收(Rx)滤波器。双工器的设计使得每个滤波器不会出现通带加载错误。
隔离程度用于测量从一个RF端口路径泄露至另一个RF端口路径的功率量。两个RF路径之间的隔离程度越高，泄漏越低。如果隔离程度很低，信号会彼此混入，导致干扰，或导致接收器减敏（灵敏度降低）。
必须对接收滤波器输出端的发送信号实施大幅衰减。必须实施这种高水平的隔离，以免信号过度驱动接收器的前端。这种隔离通常被称为发送 - 接收隔离，隔离值通常为55分贝(dB)或更高。
在接收频率下，也必须采用高水平的发送-接收隔离。这是为了防止来自发送信号（即在接收频率下）宽偏置位置的噪声出现在接收器输入端，导致灵敏度降低。这两项隔离需求促使实现带内隔离。
随着无线设备不断发展，每一代设备的RF路径之间的隔离变得越来越具有挑战性。例如，现在有些智能手机型号是可以折叠的，如图2所示。这些手机不止集成多根天线，以在蜂窝、Wi-Fi、全球定位系统(GPS)/全球导航卫星系统(GNSS)、UWB、毫米波 (mmWave) 和蓝牙范围内提供服务，还需要解决一些挑战，因为现在这些路径彼此重叠，更容易发生干扰。这使得这些RF路径、标准和紧密对齐的天线之间的隔离变得更加重要。RF滤波器设计人员必须付出更多努力来满足更严格的隔离、通带和衰减参数，确保这些折叠手机能够不受干扰，正常运行。
图2：具有多根天线的折叠手机
了解RF接收器减敏和灵敏度
接收机灵敏度是指数字无线电接收机的最小可检测接收信号功率。如果无线接收器减敏，这意味着电磁干扰会导致本底噪声升高。这种干扰会降低接收到的信噪比，降低接收器的性能吞吐量（相对于范围）。
在RF干扰和高接收信号功率下保持接收机性能是无线电接收机的主要要求。
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。减敏是由电磁干扰引起的，电磁干扰可能来自内部源，也可能是系统内部自行产生的强力干扰。大多数情况下，干扰是自行产生的。
了解RF前端选择性/共存
在理想的滤波器中，通带内的插入损耗应为0dB，在阻带内的插入损耗应为负无穷大 (dB)。通带和阻带之间存在0dB到负无穷大的过渡。它可以在不增加或不从RF信号中去除某些因素的情况下传输所需的功率。但是，我们无法获得这样完美的滤波器。在真实的滤波器中，阻带内具有插入损耗、通带纹波和非零增益，具体可参考『这个知识不太冷』探索 RF 滤波器技术（上）。
在给定应用中，过渡频段可能是决定滤波器有用性的一个关键特性。过渡频段是通带和阻带之间的滚降的陡峭度。
接收器的选择性也非常重要。由于要传输许多RF信号，无线电接收器必须能够只接收所需的信号频率，抑制不需要的信号。接收器的选择性性能决定了接收器将会经受的干扰水平。因此，接收器需要能够抑制不需要的频率，使其性能不受干扰影响。
选择性是指滤除信号的能力。在RFFE接收器中，选择性是指抑制相邻无用信号的能力。优越的插入损耗和带外衰减可以提升接收器上的信号之间的隔离程度。信号路径之间的高度隔离也是限制互调产物和满足带外发射规范的重要因素。在定义选择性时，接收器的滤波器性能是关键。
滤波器的选择性也与品质因数（Q因数）密切相关。降低滤波器的带宽会使其Q因数增大。裙边会变得更陡，滤波器的选择性会更高。因此，带通滤波器的选择性随着Q因数的增加而增加。一般来说，要设计出具有出色选择性的滤波器，需要在陡峭的裙边、插入损耗和Q因数之间进行权衡。
接收器必须具有辨别信号的能力。接收器的选择性通常用相邻信道抑制(ACR)、相邻信道选择性(ACS)、带内阻断和带外阻断来判断。
关于拥挤频谱
随着我们继续往已经很拥挤的RF空间中挤入更多的频段，频谱空间继续被挤压。某些情况下，通带与阻带之间的转换仅2MHz，这使其很难满足系统级要求。由温度漂移主导的滤波器响应变化可能会超出频段转换自身的宽度。这可能导致干扰、低信号质量，或两者兼有。在这些情况下，滤波器最为有用。图3举例说明了RF滤波器如何帮助分隔Wi-Fi和车对万物(V2X)频段。在这种情况下，必须使用具有陡峭的带外转换的滤波器。
图3：Wi-Fi频谱和V2X频段
由于频谱是一种稀缺资源，政府必须对其进行配给。这迫使RF系统设计人员必须率先解决设计中的挑战，例如减轻几个频谱区域的演进产生的影响，例如Wi-Fi、汽车、物联网 (IoT) 和手机的频谱区域，它们都会在频谱演进时相互融合。这些技术频段需要使用几乎无温度漂移和具有出色的插入损耗的陡峭曲线滤波器来隔离信号，否则可能产生RF干扰。
了解小型器件应用如何影响滤波器设计
所有无线设备解决方案的尺寸都在不断减小。如今，Wi-Fi家用网络架构和企业架构被称为分布式Wi-Fi或Wi-Fi网格。它们以“每个房间一个pod”架构为基础，正越来越普及。这些Wi-Fi pod接入点或网格网络设备正变得越来越小巧。在移动智能手机中，RF区域不断缩小，以适应更大的电池、更多的摄像头和更多的RF路径。在无线基础设施发射塔中，RF部分随着天线向塔顶移动，要求RFFE变得更小，以满足更高的发射和接收性能。
例如，受几个因素影响，智能手机中的印刷电路板 (PCB) 面积不断减小。手机制造商不断增大电池尺寸，以支持新功能，例如集成更多的摄像头和天线，以实现UWB、毫米波和多样化的功能。为了支持Wi-Fi、低频段、中频段、高频段、超高频段、UWB和毫米波等广泛的频率范围，我们需要使用更多天线，如今的多款智能手机已经使用多达6根天线。除了在小型RFFE模块中集成这些滤波器之外，这还迫使RFFE系统设计人员创建更小的前端组件，包括滤波器。
图4：5G手机中体积更大的电池会占用更多印刷电路板空间
随着增加新的天线来适应许多新的和现有的频段，必须具备高天线性能。为了实现高天线性能，天线需要保持足够的体积和间距，但是，面临的实际情况却是空间变得越来越小。
为满足这项要求，制造商面临着一个艰难的架构抉择，而这个问题以前是通过使用单独的滤波器来解决的。制造商可以尝试在一个不断缩小的区域中增加更多的天线，但这可能会降低天线和系统级别的性能。他们也可以选择在设计中使用新开发的技术。比如，使用天线复用器来解决问题——我们会在后续深入探讨这个主题。
简单来说，天线复用器将多个RF滤波器组合在一起，使几个不同的无线电（例如手机Wi-Fi、GPS和UWB）能共用一根天线。通过使用天线复用器，移动设备可更有效地利用现有的天线面积，同时增加对新频段的支持，且不会对现有外形尺寸或功能产生任何影响。天线复用器取消了使用单独的天线的需求，同时可以满足共存滤波和插入损耗的要求，如图5所示。
图5：利用天线复用器，Wi-Fi及蜂窝中频段和超高频段频率可共用一个天线
Wi-Fi RFFE制造商也在利用前端模块技术缩小产品尺寸，减少匹配组件的数量，减小印刷电路板的空间面积，创造更小、更时尚的设备。通过使用集成多条RF路径的前端模块，如图6所示，系统设计人员可以节约成本，缩短设计时间，更快地将产品推向市场。
图6：集成滤波器的Wi-Fi RF前端
在6GHz范围内增加多输入/多输出 (MIMO) 和更高的频率会提高Wi-Fi网关的系统温度。为了满足更多的散热和共存要求，必须使用支持高温和多个频率范围的可靠RFFE组件。
为了解决这一挑战，已开发出多款具有温度补偿功能的滤波器技术。这一成果，加上创建完整的RFFE模块解决方案，使Wi-Fi网关、汽车和5G领域的系统设计人员能够满足他们各自的要求。
Wi-Fi RFFE的RF发送端使用的一些滤波器可以帮助提升信号性能。例如，当Wi-Fi信号接近Wi-Fi信道频段的边沿时，例如信道1，并且信号正以全功率传输，就会在频带外发生一些“泄漏噪声”。我们通常会降低这些信道的输出功率来解决这个问题，但这会降低输出功率信号输出和范围。使用RF滤波技术之后，在这些情况下则无需降低功率，同样能够降低带外的无线电信号泄漏。这使得无线电能够以最大功率范围在这些边沿信道中传输。
介绍多路复用器和天线复用器
单凭带通滤波器和双工器，已不足以确保在当今复杂的RF设备中实现共存。我们需要使用更加复杂的滤波器技术来支持现今的连接设备和功能，例如手机和网关。在这些复杂的系统中，多路复用器和天线复用器相当有用。
这些更复杂的滤波器技术之间有什么区别？图7简明直观地显示了这些区别。天线复用器用于天线附近，帮助有效且高效地引导合适的信号进入设备深处。使用天线复用器之后，无需再使用多个分立式组件，还能减少系统中使用的天线的数量。例如，天线复用器可以将GPS、Wi-Fi和手机频段组合起来，使用一根天线来支持所有这三条RF路径。
图7：框图中的天线复用器和多路复用器
多路复用器位于RF前端链更下方的位置，靠近收发器。多路复用器会分隔RF路径，降低系统复杂性，并且减少对单个分立式RF滤波器的需求。它还提供载波聚合(CA) 支持，可以实现大容量数据吞吐量。
限于篇幅，接下来将在系列文章中进一步深入探讨这些滤波器，帮助大家更好地了解它们的优势，以及它们如何用于RF系统中。请持续关注“Qorvo半导体”，随时掌握一手资讯！
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