5G射频前端模组中的滤波器

2022-09-20 15:34:16 1

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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