詳解多路復用器濾波器

本章將更深入地介紹多路復用器濾波器，以及它們如何用于各種應用中。您將了解到多路復用器如何幫助設計人員創造出更復雜的無線產品。

了解多路復用器

多路復用器是一組射頻(RF)濾波器，它們組合在一起，但不會彼此加載，可以在輸出之間實現高度隔離。多路復用器被用于RF前端中靠近功率放大器(PA)的位置，對于載波聚合(CA)產生很大影響；天線復用器被用在射頻前端后面，以簡化與天線之間的路由。多路復用器濾波器可以包含多種濾波器，都集成在一個封裝中。圖1提供了嵌入在復雜的模塊設計中的多種類型的濾波器的示意圖。圖中的這些單獨的雙工器、帶通濾波器和陷波濾波器也可以成為多路復用器群組的一部分，稱為四工器、五工器和六工器，如圖2所示。

圖1：功能框圖中的帶通濾波器、雙工器、陷波和多路復用器

一個簡單的雙工器可以與其他的雙工器和濾波器組合，創建更復雜的多路復用器設計。就像頻分雙工(FDD)頻段是1和3，時分雙工(TDD)濾波器是頻段41。

如今的無線系統和設備必須支持更多的功能，所以它們需要使用更加小巧的組件。將多個不重疊的濾波器頻段集成到一個多路復用器中，可幫助減少射頻前端(RFFE)的組件數量和尺寸。圖2展示了一些類型的多路復用器設計，它們幫助減少總體的RFFE組件數量，以滿足新設備減小尺寸的要求。多路復用器使系統設計人員能夠優化、縮小和簡化整體設計，以滿足系統要求。

多路復用器是一種非常好的解決方案，并且在許多情況下，對于使用小間隔頻段的載波聚合 (CA) 組合，多路復用器是唯一切實可行的解決方案。多路復用器將聚合分量載波(CC)所需的所有發射和接收濾波器集成至一個元件中，不僅進行了必要的隔離，而且允許多個 CC同時連接到天線。

圖2：多路復用器濾波器的類型

為了獲得所要求的性能，多路復用器濾波器必須經過精心協同設計和匹配。圖3顯示了每個濾波器的六工器RF插入損耗。正如大家所看到的，這個多路復用器（六工器）中的每個雙工器都是匹配的，以實現最佳插入損耗和通帶。此外，單個濾波器的設計確保它們不會相互加載。

TIPS

憑借高集成度，設計優良的多路復用器能夠為移動設備工程師帶來更多好處。與使用分立式濾波器相比，將多個濾波器整合至單個組件可以節省關鍵的印刷電路板空間。

關于在這些復雜的系統中使用可調濾波器，有過一些討論。然而，使用可調濾波器可能不會提升系統的功能性，因為如今的所有系統都需要同時使用多個RF路徑。為了適應這種多路徑功能，可調濾波器可能變得更加復雜，所以制造商一直在推動將更高級的多路復用器設計用于更復雜的設計，例如八工器，它具有八條RF功能路徑。

圖3：B1+B3+B7 六工器濾波器插入損耗測量

了解多路復用器隔離和交叉隔離

前文提到過，隔離程度和交叉隔離都是值得關注的重要參數。隔離程度是濾波器防止信號出現在RF電路或系統的某個節點上的能力。例如，需要在發射或接收路徑提供高水平隔離，以免各個信號相互滲透。

交叉隔離是指跨頻段的隔離，如圖4所示。雙工器要求在相應的Rx頻率輸出端對Tx信號進行大幅衰減。對于四工器這樣的多路復用器，需要在兩個接收輸出端對Tx信號進行大幅衰減。同樣，現在必須在兩個Rx輸出端隔離Rx頻率下的Tx信號，以控制Rx頻段下的噪聲。當您考慮所有的情況時，四工器中有八個重要的隔離，而雙工器中只有兩個。圖4展示了頻段1 Tx和Rx之間的隔離測量（上方的圖）。對于相同的組件，我們展示頻段3 Rx和頻段7 Tx之間的交叉隔離測量（下方的圖）。交叉隔離是對同一個組件中的兩個不同的Tx至Rx頻段之間的測量，隔離是對同一個頻段的Tx和Rx之間的測量。

圖4：頻段1 Rx隔離，以及頻段1和7 Tx交叉隔離的測量

多路復用器有助于實現聚合RF路徑之間所需的交叉隔離，以實現在所有聚合載波上同步通信，同時衰減每個路徑的帶外(OOB)信號。

了解多路復用器和載波聚合

CA是RFFE的另一個復雜功能。濾波器技術的進步是推動采用基于長期演進(LTE)、4G和 5G的載波聚合(CA)的關鍵。濾波器材料在耦合、氮化鋁增強和材料摻雜方面的進步有助于實現高OOB衰減、低回波損耗和啟用多路復用器濾波器CA所需的交叉隔離。

隨著CA CC數量的增加，多路復用器的重要性會不斷增加。例如，聚合三個或更多的CC會顯著增加使用緊密連接的頻段的可能性。這些機會增加了使用多路復用器的可能性，例如四工器或六工器。

CA使微波設備能夠通過組合兩個或多個載波信號來實現更高的數據速率。隨著越來越多的波段被添加到組合選項中，CA變得更加復雜。5G定義了數百種最多可達16個CC的新組合，每種組合的連續帶寬可達100MHz，總聚合帶寬可達1GHz左右。

CA可以分為三類，如圖5所示：
? 帶內連續聚合：當頻譜模塊是同一頻段內相鄰的頻譜時使用。
? 帶內非連續聚合：當頻譜模塊在相同的頻段內彼此獨立時使用。
? 帶內聚合：不同頻段中的頻譜聚合。這些頻段可能遠遠隔開，或連在一起。

圖5：三種類型的CA

具有高OOB抑制的線性多路復用器濾波器支持使用多種CA組合。通過使用最新的濾波器技術，例如BAW，工程師可以使用最小插入損耗低于或約為1分貝 (dB) 的多路復用器。這種低插入損耗最大程度降低了對功率放大器電流消耗和設備電池使用壽命的負面影響。像BAW這樣的增強型濾波器技術還提供出色的頻段隔離和交叉隔離，以獲得最佳的系統級性能。

重要的是要注意CA有更大幾率會導致干擾。多頻段信號可能因濾波器衰減不足而相互干擾。當Tx和Rx路徑之間的隔離或交叉隔離不足時，也會發生系統減敏，從而造成接收器靈敏度降低的情況。

多路復用器中使用的低溫補償濾波器技術非常適合用于跨頻段優化隔離、衰減和OOB衰減性能，幫助設計人員應對這些挑戰。

此外，在CA應用中，與濾波器一起使用的RFFE開關需要超高的線性度和低插入損耗。由于插入損耗的增加可能導致系統噪聲增加，所以設計人員必須采用接收器路徑。插入損耗如果不佳，也會降低整體的PA效率，降低電池使用壽命和設備信號范圍。

移動設備采用高速上行/下行鏈路來傳輸視頻和數據。接收器的靈敏度會受到噪聲的影響，進而影響信號的接收。該噪聲會導致系統減敏。減敏是由于噪聲源導致的接收器靈敏度下降，這些噪聲源通常是由相同的設備無線電產生的。

EN-DC多路復用器和載波聚合

4G LTE-Advanced Pro支持多達5個CC。5G新無線電 (NR) CA支持多達16個連續和非連續的CC，可以聚合頻譜高達約1GHz的新5G頻段，如圖6所示。雙連接允許用戶設備同時發送和接收數據。再加上CA，可以增加網絡的數據容量。

圖6：LTE和5G NR CA

雙連接也廣泛用于新的5G設備中。雙連接使用戶設備能夠同時在兩個單元小組（主進化節點B [eNB] 和次節點eNB）的多個CC上發送和接收數據。使用演進的通用陸地無線接入 (E-UTRA)（這是3GPP的無線接口）和5G NR雙連接或E-UTRA NR雙連接 (EN-DC) 時，網絡可以利用4G和5G頻譜來增加用戶吞吐量，提供移動信號可靠性，并支持eNB的負載均衡。

非獨立和EN-DC

5G無線電訪問網絡(RAN) 專用于和現有的4G LTE網絡配合使用。3GPP版本15標準允許采用多種NR部署選項，例如非獨立 (NSA) 和獨立 (SA)。NSA使用的方案與CA非常相似。它組合采用LTE錨頻段進行控制，采用5G NR頻段提供更快的數據速率，如圖7所示。NSA是一種部署模型，在沒有端到端5G網絡的情況下提供5G服務。其中用到了EUTRA和NR雙連接。在EN-DC中，LT和5G NR載波同時使用。使用EN-DC時，一個設備傳輸兩個高功率RF信號。

這種配置需要在智能手機狹小的設備區域中集成兩條完整的上行鏈路信號路徑。這帶來了很大的挑戰，即需要避免兩個強信號彼此干擾。在這些情況下，必須實現高隔離濾波。

圖7：LTE和5G NR CA

這兩條信號路徑之間的高度隔離對于限制互調產物和滿足OOB發射規范來說至關重要。此外，在信號路徑之間使用高度隔離的多路復用器，可在兩個上行鏈路信號之間實現共存，進而提高效率，使智能手機和移動網絡運營商可以節省電池用電和能源。