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2021年05月06日 | 5G射频滤波器需要更多创新
2021-05-06 来源：EEWORLD
射频滤波器一直是移动设备的重要组成部分，到了5G时代，它们是解锁高带宽的关键，将驱动许多5G用例。
顶级4G / LTE移动设备包含50到90个RF滤波器，以支持在世界各国使用。这些滤波器使所需的RF信号通过，同时阻挡了可能干扰该信号的相邻信号。设备支持的每个天线和频带都需要一个新的滤波器。因此，增加5G频率和支持天线分集将推动下一代移动设备，汽车和其他无线连接系统中滤波器的增加。
4G的过渡需要新的RF滤波器谐振器结构——薄膜体声谐振器（FBAR）和体声波（SMR-BAW）谐振器，因为当初的适应频率至少需要大约到2 GHz，带宽需要到70MHz，因为这些网络在更高的频段上运行，需要新的底层谐振器结构来驱动RF滤波器的性能。5G也同样，需要在网络容量，移动连接，延迟，成本，数据速率和覆盖范围方面显着提高性能。
声学过滤技术
声学滤波器因其体积小，性能高而成为移动设备中最受欢迎的滤波器技术。他们利用压电效应将RF信号转换为电能。对基材进行微调，以产生特定的和微小的波动。这些波动决定了滤波器将处理的频率。滤波器可以从特定的频段中选择指定的信号，同时屏蔽会引起干扰的信号。关键的声波滤波器技术包括表面声波（SAW）和体声波（BAW）滤波器，它们的声能分别在压电体的表面或内部传播（见图1）。
图1.谐振器技术和关键应用
移动设备中使用的滤波器数量的增长以及日益拥挤的电波对滤波器的要求越来越高，这使得RF滤波成为RF前端（RFFE）的关键痛点。尽管现在正在开发对滤波器的特定5G要求，但图1显示了这些要求的基本概述，并且与之前的无线产品的区别已经很明显了。
路径损耗最小化
RF信号链中的滤波器是造成损耗的原因，损耗对总发射效率以及PA和电池寿命的电流消耗有至关重要的影响。图2显示了RFFE中发生损耗的地方，该模块包括功率放大器，RF滤波器，天线开关，低噪声放大器（LNA）和其他电路。Tx / Rx滤波器是最大的损耗，影响TxRx路径中的功率消耗和总噪声系数，最终反映出来的是信噪比（SNR）和数据速率。
图2. RF路径的每个部分都会造成信号损耗
5G频带的带宽要宽得多（最高为400 MHz，而不是20 MHz），并且工作频率比4G的3 GHz高得多。因此，5G设备需要使用不同的声学滤波器，以最大程度降低整个带宽（尤其是在频带边缘）的损耗。5G滤波器的其他一些重要功能包括：
功率处理：5G针对高速数据/高清视频进行了优化。由于采用毫米波操作，5G需要比4G高得多的功率来维持覆盖范围。实际上，3GPP创建了一个新的大功率用户设备（HPUE）类，它在单个天线上的工作频率为+26 dBm。因此，逐渐减小的滤波器的功率耐久性成为主要问题。
干扰：在使用5G频段的初期，流量很小，因此潜在的干扰问题很少。因此放宽了对滤波器的要求。但是，随着更多流量流向5G网络，必须使用更高的滤波器来解决导致用户体验下降的干扰。除了损耗，抑制和功率之外，RFFE日益复杂，尤其是滤波要求正在推动其他约束条件。
复杂的多路复用：载波聚合（CA）向智能手机提供多个单独的带宽，这些带宽必须一起多路复用为一个聚合的数据馈送，以增加总带宽。这些数据流中的每一个都需要一个过滤器以及一个复用功能。在4G中，大约有50种可能的组合，根据高通公司的分析，对于早期的5G设备，这些组合预计将猛增到1000种以上。这将大大增加5G滤波器的规格和复杂性。
优化的放大器接口：虽然所有滤波器都支持标准的50Ω接口，但在某些情况下，还没有针对功率放大器（PA）或低噪声放大器（LNA）的信号路径进行优化。这会影响功耗。在设计过程中了解接口挑战可以确保滤波器经过路径优化，从而提高性能并有助于降低功耗。
另一个重要的考虑因素是不断增长的RF滤波器芯片集合，这些滤波器必须很小且成本低廉，以便可以将它们容纳在手机中而不会影响尺寸。
结论
用于移动宽带的5G RFFE将非常复杂且高度集成。声学滤波器对于管理这种复杂性至关重要。滤波器设计的目标是简化设计：为应用程序使用最合适的构件，并优化RFFE模块内的接口。最小化并降低组件复杂度的RF滤波器设计将至关重要，而实现这一创新的工具和IP都将对简化RFFE至关重要。
史海拾趣
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