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5G射频前端模组中的滤波器

发布时间:2022-09-20作者来源:金航标浏览:55


波滤器是射频前端重要的模块之一。顾名思义,波滤器的主要功能是“滤波”,即通过有信号,阻挡干扰信息。

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图:射频前端中的波滤器


在射频通信系统中,“频谱”是非常宝贵且拥挤的资源。除了与我们生活息息相关的5G、4G、WI-FI、GPS及蓝牙信号外,还有通信卫星、军用卫星以及气象监测等信号。在实际生活中,无线信号无处不在,所以,就需要射频“滤波器”将无用信号处理干净。

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图:拥挤的频谱资源


在射频前端系统中,波滤器的功能是:


用于发射时,波滤器可以将有用信号从众多噪声信号中过滤出来


用于接收时,波滤器可以将有用信号之外的干扰信号过滤干净


波滤器发射及接收通路的功能如下图所示。

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图:发射通路的波滤器特性

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图:接收通路的波滤器特性


波滤器的主要衡量指标


波滤器的核心功能是通过特定频率信号,抑制带外信号,所以波滤器的主要指标有:

中心频率

带宽

插损

带外抑制


同时,放置在发射通路时,波滤器还需要考虑功率耐受特性以及温度特性,于是以下指标波滤器的主要评价指标:

温度特性

功率耐受

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图:典型的波滤器频率响应示意图


中心频率及带宽


带通(带阻))波滤器的中心频率是指通带(阻带)的中心频率,带宽是指通带(阻带)最高频率与最低频率之差。


波滤器作为选频器件,中心频率及带宽是其基本指标。波滤器的分类通常也是根据工作频率而分,如B40、B3、B8、n41、n78波滤器等,就是指工作在相应频段的波滤器。


波滤器的带宽一般由根据3GPP得需求而确定。比如,按照3GPP的规定,B3的发射频率在1.71-1.785GHz,接收频率在1.805-1.880GHz,于是B3的发射滤波器和接受滤波器就需要分别覆盖75MHz的带宽。


插损

波滤器的插损是指波滤器对有用信号的衰减程度。

发射波滤器位于PA输出端,在PA输出功率相同的条件下,波滤器的插损越小,整个模块的输出功率就越大;同理,在模块发射功率相同的条件下,滤波器的插损越小,也就意味着需要PA输出的功率越小,PA的功耗就越低,模块就更省电。


接受波滤器位于LNA之前,其插损直接决定了对接受链路噪声系数的贡献,可以通过一下噪声系数计算公式看出。插损越大,系统NF越大。

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因此,其他条件不变的情况下,减小波滤器插损,可以有效提高系统接灵敏度。


阻抗及收敛性

阻抗,即波滤器的输入输出阻抗,收敛性是指阻抗随频率的变化程度。

阻抗及收敛性直接影响波滤器的输入输出反射系数。波滤器的阻抗需要与外部电路匹配,越接近目标阻抗,对有用信号的反射越小,带内插损就越小;阻抗越收敛,带内波动就越小。

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图:反射与阻抗收敛性


此外,波滤器阻抗还以影响系统其它部分。

如发射链路中,波滤器位于PA输出端,PA设计时为了达到最大输出功率,会采用LoadPull方法得到最佳输出阻抗。


当波滤器阻抗偏离50时,会造成下列问题:

波滤器与匹配电路之间,以及波滤器与开关之间反射增加,链路插损增加;

PA输出端的阻抗偏离最佳输出阻抗,PA最大输出功率减小。


以上问题会导致发射链路输出功率减小,使系统性能下降。


带外抑制

带外抑制是指波滤器对通带以外的信号的衰减能力。波滤器进行带外抑制的原因如下:

发射通路

为了保证手机终端能够正常工作,减小各频段间的干扰,3GPP对终端发射通道的带外抑制指标提出了一系列要求,包括对谐波、互调等非线性分量的抑制,以及CA/ENDC场景下多频段共存的带外抑制指标等(详见3GPP协议)


由于PA本身对待外的抑制能力不足,所以需要在输出端加波滤器使最终的带外抑制指标符合3GPP规范。


接收通路

射频系统在接收时,来自外界或自身产生的干扰信号会导致接收端出现desense,即灵敏度恶化。


为了避免或减小desense,就需要波滤器对那些能够引入带内噪声的干扰进行抑制,具体要求就反映在带外抑制的指标上。


下表给出了波滤器需要考虑的一系列带外抑制点,具体以制度需根据系统指标要求分析。

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表:波滤器带外抑制指标需求


温漂特性

波滤器的工作频率会随温度的变化产生漂移,该特性称为温漂。


温漂特性会是波滤器通带产生偏移,会影响通带的插损,尤其是通带边缘位置的插损,以及带外抑制,如下图所示。

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波滤器温漂特性示意图


上图中,在同样的spec要求下,图(a)温漂较大,通带和阻带的一部分在高低温度下已经不满足指标的要求。经过温度补偿处理后,图(b)温漂较小,高低温下均满足指标的要求。在波滤器设计时,需要尽量减小温漂,适当拓宽通带的范围,减小过渡带范围,保证偏移后的通带仍能覆盖目标频段,带外抑制仍能满足指标要求。


衡量波滤器温漂特性的指标是频率温度系数,即TCF,其计算方法如下:
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