針對4G/LTE智能手機(jī)的FBAR濾波器技術(shù)[圖]

雖然全球手機(jī)市場仍然以每季單位數(shù)字的速度增長，智能手機(jī)的出貨量卻持續(xù)激增，隨著新一代手機(jī)的推出，智能手機(jī)可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的條件下持續(xù)提供更多的功能，這些新產(chǎn)品的背后動力來自于新的移動通信網(wǎng)絡(luò)，如4G和LTE技術(shù)的推出，大多數(shù)人已經(jīng)把具有更快下載速度和更佳移動互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)與最新服務(wù)畫上等號，正如預(yù)期，幾乎絕大多數(shù)的產(chǎn)業(yè)新聞都圍繞在最新型手機(jī)的功能上，例如電池續(xù)航力、顯示屏的亮度、色彩以及分辨度等，但到底是什么樣的半導(dǎo)體構(gòu)造方塊帶來如此令人驚艷的產(chǎn)品呢?

現(xiàn)代智能手機(jī)中一個非常重要的部分是射頻(RF)濾波器，正如它的基本原理，濾波器主要應(yīng)用于通過需要并拒絕不要的頻率，以使手機(jī)中的許多接收器可以只處理預(yù)期的信號。在過去，手機(jī)通常只在全球特定地區(qū)的少數(shù)頻段中工作，然而對于現(xiàn)代化的手機(jī)，基本上會在相同時間于多個無線頻段工作，包括移動通信、藍(lán)牙(Bluetooth)、WiFi和GPS等，而制造商也希望設(shè)計(jì)出可在全球不同地區(qū)和不同電信運(yùn)營商服務(wù)下工作的產(chǎn)品，要讓手機(jī)在更多頻段和地區(qū)工作代表了手機(jī)對射頻濾波的要求越來越高。

在前幾代的無線技術(shù)中，濾波要求并不難達(dá)成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)逐漸演進(jìn)到CDMA和3G，安華高科技發(fā)現(xiàn)公司擁有的薄膜腔聲波諧振器(FBAR)技術(shù)非常適合美國PCS和部分其他頻段對于濾波的高挑戰(zhàn)性要求，為了可以利用目前的4G/LTE服務(wù)，智能手機(jī)本身變得更為復(fù)雜，因此手機(jī)制造商已經(jīng)開始擴(kuò)大采用Avago的FBAR技術(shù)來解決以下即將討論4G/LTE所面對的獨(dú)特問題。

射頻濾波器挑戰(zhàn)1：可在多個頻段工作的4G/LTE手機(jī)

最新的智能手機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上必須可在全球多個頻段工作，多頻段智能手機(jī)的整體尺寸并不會大于前一代，因此如果要在保留給射頻前端電路的相同空間內(nèi)加入更多的濾波器，那么非常明顯地，濾波器本身必須非常小，藉助Microcap微型封裝技術(shù)，F(xiàn)BAR濾波器可以通過芯片級封裝滿足絕大多數(shù)的空間受限應(yīng)用。由于FBAR是基體型材料，因此可以提供非常良好的功率處理能力而不需要使用如SAW濾波器中常見的并行結(jié)構(gòu)，另外，F(xiàn)BAR器件的尺寸也會隨著頻率的提高而縮小，這使得FBAR非常適合目前2300MHz到2700MHz，以及未來3.5GHz的新4G/LTE頻段應(yīng)用。

也許FBAR技術(shù)中最重要的特性是可以支持高挑戰(zhàn)性頻段分配的陡峭濾波曲線以及卓越的帶外抑制能力，圖1是先前提到美國PCS應(yīng)用的情況，其中上方發(fā)射頻率和下方接收頻率間的間隙非常窄，這個特性對于4G/LTE應(yīng)用而言更為重要，原因是發(fā)射和接收頻率間的間隙更窄。除此之外，現(xiàn)今的智能手機(jī)也必須在緊鄰現(xiàn)有2G/3G射頻服務(wù)的擁擠頻譜內(nèi)工作，還要避免可能影響甚至中斷數(shù)據(jù)服務(wù)的干擾，通常頻段間的過渡頻率大約在數(shù)MHz，有時甚至完全沒有防護(hù)頻帶。

圖1 FBAR濾波器響應(yīng)特性

FBAR濾波器帶來的價(jià)值優(yōu)勢之一可由美國使用的Band 13環(huán)境看出，這個由Verizon公司使用作為LTE服務(wù)的頻段距離警察、消防和其他應(yīng)急處理機(jī)構(gòu)使用的新公共安全無線電服務(wù)頻段僅2MHz，為了避免干擾PSR運(yùn)行，LTE標(biāo)準(zhǔn)要求在Band 13頻段上工作的手機(jī)必須大幅度降低發(fā)射功率，但功率的降低則會明顯影響網(wǎng)絡(luò)效率，減少可以服務(wù)的用戶數(shù)和服務(wù)質(zhì)量，大幅度降低數(shù)據(jù)吞吐量甚至導(dǎo)致掉線，通過結(jié)合帶溫度補(bǔ)償超快速轉(zhuǎn)折FBAR雙工器和高度線性化功率放大器于環(huán)境受到良好控制的集成前端模塊中，Avago創(chuàng)造了一個可以讓Band 13頻段手機(jī)全功率工作而不會干擾PSR運(yùn)行的產(chǎn)品，F(xiàn)BAR雙工器的性能可以說是這類產(chǎn)品的成功關(guān)鍵之一。

射頻濾波器挑戰(zhàn)2：運(yùn)行于更高數(shù)據(jù)率的4G/LTE智能手機(jī)

相較于3G服務(wù)，相同數(shù)據(jù)量下4G/LTE的下載速度大約可以達(dá)到10倍，也就是說于同樣時間內(nèi)可被下載的數(shù)據(jù)量達(dá)到10倍，有幾種方法可以用來實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，4G/LTE會依檢測到的信號強(qiáng)度使用不同的調(diào)制方式，簡單地說，信噪比越高，數(shù)據(jù)率就愈高，如由QPSK轉(zhuǎn)換成QAM16/64調(diào)制。于通過單刀多擲開關(guān)結(jié)合多個雙工器的多頻段4G/LTE手機(jī)上，檢測到的信號可能過低而影響數(shù)據(jù)率，F(xiàn)BAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號強(qiáng)度，帶來更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而得到更好的用戶體驗(yàn)和更高的數(shù)據(jù)容量。

采用分頻多工調(diào)制的手機(jī)使用允許同時進(jìn)行信號發(fā)射和接收的雙工器，由于發(fā)射和接收濾波器連接到相同的天線端口，因此彼此間的濾波器隔離就非常重要，較高的隔離會將接收頻段的噪聲降至最低，而正如前面所討論，這可以提高SNR和數(shù)據(jù)率。

圖2 2.3GHz ~ 2.7GHz頻帶4G/LTE服務(wù)的防護(hù)頻帶

提高數(shù)據(jù)率的另一種方法是通過載波聚合，載波聚合以多于一個頻段的同時工作來提高下載數(shù)據(jù)率，部分新LTE頻段占據(jù)相對較小的頻譜，例如Band 25 (5MHz)，因此這是一個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以有效提高通信容量的方法。由于每個頻段的發(fā)射和接收會同時工作，因此不能夠使用開關(guān)，從而使用多工器來結(jié)合各個發(fā)射和接收濾波器到相同的天線端口上，當(dāng)以多工器配置結(jié)合時，Avago的FBAR濾波器可以提供低信號損耗路徑，有助于最大限度地提高數(shù)據(jù)率。

射頻濾波器挑戰(zhàn)3：智能手機(jī)同時使用多個無線信號

目前很難找到?jīng)]有Wi-Fi連線功能的智能手機(jī)，依手機(jī)工作頻率不同，如果沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波處理，手機(jī)發(fā)送的信號可能會干擾Wi-Fi的正常運(yùn)行，作為一個例子，歐洲的LTE Band 7 (2500MHz~2570MHz)的發(fā)射頻率就緊鄰歐洲Wi-Fi使用頻率(2401MHz~2488MHz)的上方，見圖2。

使用智能手機(jī)作為Wi-Fi熱點(diǎn)時，Wi-Fi會和4G/LTE無線信號同時工作，如果沒有卓越的濾波能力，Wi-Fi收發(fā)器就有可能被遮蔽或者受到Band 7頻帶上LTE信號傳輸?shù)挠绊�，Avago的ACMD-6107雙工器提供足夠的保護(hù)，允許運(yùn)行于更高頻率的Wi-Fi通道不會發(fā)生干擾，其他競爭的濾波器產(chǎn)品無法有效提供所需的帶外衰減能力，可能造成上方Wi-Fi頻道無法使用，和Avago的ACPF-7124 Wi-Fi共存濾波器配套組合，可以提供達(dá)到甚至超越系統(tǒng)要求的出色性能。

今天絕大多數(shù)的手機(jī)同時還支持GPS，甚至GLONASS服務(wù)，由于GPS/GLONASS信號通常功率非常低，大約在-125dBm ~ -150dBm，因此所有接近GPS頻率的發(fā)射信號都可能影響GPS/GLONASS接收器的靈敏度，AGPS-F001預(yù)濾波器加LNA模塊由于具有陡峭濾波和寬帶衰減能力，因此可以提供移動網(wǎng)絡(luò)、PCS和WiFi信號卓越的帶外遮蔽能力和良好的線性性能。

FBAR技術(shù)優(yōu)勢

電池使用時間是一項(xiàng)經(jīng)常用來進(jìn)行手機(jī)性能測試并相互比較的重要特性，在接收側(cè)，我們討論了FBAR的較低插入損耗如何通過補(bǔ)償于射頻前端結(jié)合多頻段所帶來的較高損耗支持4G/LTE手機(jī)的更高數(shù)據(jù)率，另一個好處是，通過使手機(jī)可以檢測較微弱信號，擴(kuò)大移動通信的覆蓋范圍，避免造成較差的接收能力甚至掉線。在發(fā)射側(cè)，較低的發(fā)射濾波器插入損耗代表了在相同天線發(fā)射功率下功率放大器所需的輸出功率較低，相較于其他濾波器技術(shù)，Avago的Band 4雙工器帶來的插入損耗改善大約在0.2dB ~ 0.5dB，相當(dāng)于節(jié)省達(dá)50mA的電流消耗，因此可以提供更長的電池使用壽命和通話時間。

當(dāng)大多數(shù)應(yīng)用還是基于3G服務(wù)時，只有少數(shù)頻段可以從FBAR技術(shù)獲益，隨著4G/LTE多頻段智能手機(jī)的普及，F(xiàn)BAR技術(shù)的特性優(yōu)勢，例如低插入損耗、陡峭濾波曲線、高隔離性和極小化的尺寸等已經(jīng)成為所有主要智能手機(jī)制造商快速導(dǎo)入這個技術(shù)的原因，目前采用FBAR技術(shù)的濾波器、雙工器以及多工器產(chǎn)品已經(jīng)被導(dǎo)入美國、歐洲和亞洲等地區(qū)15個不同工作頻段的智能手機(jī)設(shè)計(jì)中，隨著新濾波挑戰(zhàn)的出現(xiàn)，F(xiàn)BAR技術(shù)將繼續(xù)成為提供解答的優(yōu)先選擇，也就是說，F(xiàn)BAR技術(shù)已經(jīng)成為主流。

作者：Dennis Moy 來源：中電網(wǎng)