4G LTE智能手機(jī)的FBAR濾波器技術(shù)的研究

任鵬星

引言：雖然全球手機(jī)市場(chǎng)仍然以每季單位數(shù)字的速度增長(zhǎng)，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。LTE和4G技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)服務(wù)質(zhì)量和下載速度的大幅度提高。本文就對(duì)4G LTE智能手機(jī)背景下FBAR濾波器技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)行了探討分析。

現(xiàn)代智能手機(jī)中一個(gè)非常重要的部分是射頻濾波器，正如它的基本原理，濾波器主要應(yīng)用于通過(guò)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(hào)。在過(guò)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(duì)于現(xiàn)代化的手機(jī)，基本上會(huì)在相同時(shí)間于多個(gè)無(wú)線頻段工作，包括移動(dòng)通信、藍(lán)牙等，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(yíng)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(duì)射頻濾波的要求越來(lái)越高。

一、FBAR濾波器技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)

手機(jī)性能測(cè)試中的一項(xiàng)常用指標(biāo)為手機(jī)電池的使用壽命，這也是消費(fèi)者選購(gòu)智能手機(jī)時(shí)必然會(huì)進(jìn)行比較的一項(xiàng)指標(biāo)。在手機(jī)的接收側(cè)看，筆者對(duì)怎樣利用多頻段射頻前端補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)FBAR低插入損耗進(jìn)行了分析，從而保證4G/LTE手機(jī)獲得更高的數(shù)據(jù)率和損耗支持。同時(shí)，手機(jī)較弱信號(hào)檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，有助于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信覆蓋范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，防止信號(hào)接收不良造成掉線問(wèn)。由手機(jī)的發(fā)射側(cè)看，發(fā)射濾波器插入損耗的降低，能夠保證天線發(fā)射功率相同時(shí)，降低功率放大器運(yùn)行過(guò)程中的輸出功率損耗。該技術(shù)的應(yīng)用能夠大大延長(zhǎng)智能手機(jī)的通話時(shí)長(zhǎng)和電池應(yīng)用時(shí)間。在大部分智能手機(jī)仍然使用3G業(yè)務(wù)時(shí)，僅有部分頻段能夠受益于FBAR技術(shù)，但隨著4G LTE智能手機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，F(xiàn)BAR濾波器技術(shù)的特點(diǎn)也得到了充分的彰顯，主要包括尺寸的極小化、隔離性強(qiáng)、陡峭濾波曲線和插入損耗低等，上述各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)也是智能手機(jī)制造商廣泛應(yīng)用FBAR濾波器技術(shù)的主要原因?，F(xiàn)階段，F(xiàn)BA R濾波器技術(shù)在亞洲、歐洲和美洲等多個(gè)國(guó)家都得到了大范圍的應(yīng)用，并逐漸成為了智能手機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的主流技術(shù)。

在前幾代的無(wú)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(yíng)商網(wǎng)絡(luò)逐漸演進(jìn)到COMA和3G，安華高科技發(fā)現(xiàn)公司擁有的薄膜腔聲波諧振器技術(shù)非常適合美國(guó)戶(hù)CS和部分其他頻段對(duì)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(kāi)始擴(kuò)大采用FBAR技術(shù)來(lái)解決以下即將討論4G/LTE所面對(duì)的獨(dú)特問(wèn)題。

二、運(yùn)行于更高數(shù)據(jù)率的4G ILTE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(shuō)于同樣時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，4G LTE會(huì)依檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度使用不同的調(diào)制方式，簡(jiǎn)單地說(shuō)，信噪比越高，數(shù)據(jù)率就愈高，如由QPSK轉(zhuǎn)換成QAM16164調(diào)制。通過(guò)使用單刀多擲開(kāi)關(guān)，結(jié)合多個(gè)雙工器的多頻段4G/LTE手機(jī)上，檢測(cè)到的信號(hào)可能過(guò)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(hào)強(qiáng)度，帶來(lái)更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而得到更好的用戶(hù)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(shí)進(jìn)行信號(hào)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(huì)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。提高數(shù)據(jù)率的另一種方法是通過(guò)載波聚合，載波聚合以多于一個(gè)頻段的同時(shí)工作來(lái)提高下載數(shù)據(jù)率，部分新LTE頻段占據(jù)相對(duì)較小的頻譜，例如Band 25（SM Hz），因此這是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以有效提高通信容量的方法。由于每個(gè)頻段的發(fā)射和接收會(huì)同時(shí)工作，因此不能夠使用開(kāi)關(guān)，從而使用多工器來(lái)結(jié)合各個(gè)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(shí)，AVago的FBAR濾波器可以提供低信號(hào)損耗路徑， 有助于最大限度地提高數(shù)據(jù)率。

三、4G/LTE智能手機(jī)FBAR濾波器技術(shù)的多信號(hào)的同時(shí)使用以及性能參數(shù)

現(xiàn)階段，無(wú)WIFi連線功能的智能手機(jī)已經(jīng)基本被淘汰出競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)，根據(jù)手機(jī)不同的運(yùn)行頻率，若濾波未得到相應(yīng)的處理，則手機(jī)所發(fā)送的信號(hào)也會(huì)對(duì)WIFi功能的正常使用產(chǎn)生不良影響，以歐洲LTE Band7的發(fā)射頻率為例進(jìn)行分析，與歐洲WIFi相鄰的信號(hào)應(yīng)用頻率，能夠?yàn)橹悄苁謾C(jī)提供多個(gè)WIFi熱點(diǎn)，此時(shí)，4G/LTE無(wú)線信號(hào)能夠與WIFi熱點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行，若智能手機(jī)缺乏相應(yīng)的濾波能力，則WFIi收發(fā)器就會(huì)收到遮蔽，或是被Band7頻帶上LTE信號(hào)傳輸所干擾，雙工器則能夠?yàn)槠涮峁┫鄳?yīng)的保護(hù)，從而避免高頻率的WIFi通道收到影響，進(jìn)而無(wú)法正常使用，而其他的濾波器產(chǎn)品則不具有這一外衰減能力，進(jìn)而WIFi通道受影響的幾率較高。

現(xiàn)階段大部分的智能手機(jī)能夠同時(shí)提供GLONAss服務(wù)以及GPS功能，因?yàn)镚LONASS/GPS信號(hào)的功率通常較低，一般有一個(gè)確定的范圍，全部與GPS頻率發(fā)射信號(hào)相近的用戶(hù)都會(huì)受到不同程度的影響，進(jìn)而降低手機(jī)的GLONASS/GPS信號(hào)靈敏度，而帶有LNA模塊的AGPS一FO01預(yù)濾波器則具有寬帶衰減和陡峭濾波能力，能夠提供先性功能和遮蔽功能。

這項(xiàng)技術(shù)的性能參數(shù)主要分為以下幾個(gè)部分介紹，第一，寄生參數(shù)對(duì)FBAR濾波器的影響。本文所述的FBAR濾波器技術(shù)建模過(guò)程中，為了對(duì)封裝測(cè)試過(guò)程中的FBAR對(duì)寄生參數(shù)的影響進(jìn)行修正，以MBVD模型為基礎(chǔ)，加入了PAD、引線等寄生參數(shù)， 同時(shí)設(shè)計(jì)出了PMBVD模型。對(duì)FBAR濾波器而言，也存在相同的的寄生參數(shù)，為了對(duì)其對(duì)FBAR濾波器特性的影響進(jìn)行分析，本文將寄生參數(shù)和Mas皿模型等效電路相結(jié)合來(lái)仿真濾波器的特性變化。第二，F(xiàn)BAR濾波器帶寬的研究。帶寬是濾波器中的一個(gè)十分關(guān)鍵的指標(biāo)，會(huì)對(duì)濾波器能否滿足通信系統(tǒng)需求產(chǎn)生直接影響，如前所述，F(xiàn)BAR諧振特性中串并聯(lián)諧振點(diǎn)的間距會(huì)直接受到FBAR中機(jī)電禍合系數(shù)小的影響， 所以，F(xiàn)BAR濾波器的帶寬會(huì)在一定程度上受到機(jī)電禍合系數(shù)的影響。第三，F(xiàn)BAR濾波器帶外抑制的研究。為了最大限度降低濾波器通帶所受干擾信號(hào)的影響，濾波器通常需要具有較強(qiáng)的帶外抑制能力。由仿真結(jié)構(gòu)可知 隨著FBAR濾波器級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)的逐漸增大，帶外的抑制性能也在隨之增強(qiáng)，且矩形系數(shù)變小，但實(shí)際情況是其呈現(xiàn)出局部放大的趨勢(shì)。隨著級(jí)數(shù)的增加，插入損耗變大，且通帶紋波不斷變大。

四、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)大多數(shù)應(yīng)用還是基于3G服務(wù)時(shí)，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?xún)?yōu)勢(shì)，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(gè)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(guó)、歐洲和亞洲等地區(qū)15個(gè)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。

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（作者單位：廣東省電信工程有限公司）