【導(dǎo)讀】多路復(fù)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(xiàn)高度隔離。多路復(fù)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(chǎn)生很大影響;天線復(fù)用器被用在射頻前端后面,以簡化與天線之間的路由。
本章將更深入地介紹多路復(fù)用器濾波器,以及它們?nèi)绾斡糜诟鞣N應(yīng)用中。您將了解到多路復(fù)用器如何幫助設(shè)計人員創(chuàng)造出更復(fù)雜的無線產(chǎn)品。
了解多路復(fù)用器
多路復(fù)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(xiàn)高度隔離。多路復(fù)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(chǎn)生很大影響;天線復(fù)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(fù)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(fù)雜的模塊設(shè)計中的多種類型的濾波器的示意圖。圖中的這些單獨(dú)的雙工器、帶通濾波器和陷波濾波器也可以成為多路復(fù)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(fù)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(chuàng)建更復(fù)雜的多路復(fù)用器設(shè)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(tǒng)和設(shè)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(fù)用器中,可幫助減少射頻前端(RFFE)的組件數(shù)量和尺寸。圖2展示了一些類型的多路復(fù)用器設(shè)計,它們幫助減少總體的RFFE組件數(shù)量,以滿足新設(shè)備減小尺寸的要求。多路復(fù)用器使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠優(yōu)化、縮小和簡化整體設(shè)計,以滿足系統(tǒng)要求。
多路復(fù)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(fù)用器是唯一切實可行的解決方案。多路復(fù)用器將聚合分量載波(CC)所需的所有發(fā)射和接收濾波器集成至一個元件中,不僅進(jìn)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(fù)用器濾波器的類型
為了獲得所要求的性能,多路復(fù)用器濾波器必須經(jīng)過精心協(xié)同設(shè)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(fù)用器(六工器)中的每個雙工器都是匹配的,以實現(xiàn)最佳插入損耗和通帶。此外,單個濾波器的設(shè)計確保它們不會相互加載。
TIPS
憑借高集成度,設(shè)計優(yōu)良的多路復(fù)用器能夠為移動設(shè)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(jié)省關(guān)鍵的印刷電路板空間。
關(guān)于在這些復(fù)雜的系統(tǒng)中使用可調(diào)濾波器,有過一些討論。然而,使用可調(diào)濾波器可能不會提升系統(tǒng)的功能性,因為如今的所有系統(tǒng)都需要同時使用多個RF路徑。為了適應(yīng)這種多路徑功能,可調(diào)濾波器可能變得更加復(fù)雜,所以制造商一直在推動將更高級的多路復(fù)用器設(shè)計用于更復(fù)雜的設(shè)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(fù)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(guān)注的重要參數(shù)。隔離程度是濾波器防止信號出現(xiàn)在RF電路或系統(tǒng)的某個節(jié)點(diǎn)上的能力。例如,需要在發(fā)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(yīng)的Rx頻率輸出端對Tx信號進(jìn)行大幅衰減。對于四工器這樣的多路復(fù)用器,需要在兩個接收輸出端對Tx信號進(jìn)行大幅衰減。同樣,現(xiàn)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(dāng)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(fù)用器有助于實現(xiàn)聚合RF路徑之間所需的交叉隔離,以實現(xiàn)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(fù)用器和載波聚合
CA是RFFE的另一個復(fù)雜功能。濾波器技術(shù)的進(jìn)步是推動采用基于長期演進(jìn)(LTE)、4G和 5G的載波聚合(CA)的關(guān)鍵。濾波器材料在耦合、氮化鋁增強(qiáng)和材料摻雜方面的進(jìn)步有助于實現(xiàn)高OOB衰減、低回波損耗和啟用多路復(fù)用器濾波器CA所需的交叉隔離。
隨著CA CC數(shù)量的增加,多路復(fù)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(jī)會增加了使用多路復(fù)用器的可能性,例如四工器或六工器。
CA使微波設(shè)備能夠通過組合兩個或多個載波信號來實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)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(fù)雜。5G定義了數(shù)百種最多可達(dá)16個CC的新組合,每種組合的連續(xù)帶寬可達(dá)100MHz,總聚合帶寬可達(dá)1GHz左右。
CA可以分為三類,如圖5所示:
? 帶內(nèi)連續(xù)聚合:當(dāng)頻譜模塊是同一頻段內(nèi)相鄰的頻譜時使用。
? 帶內(nèi)非連續(xù)聚合:當(dāng)頻譜模塊在相同的頻段內(nèi)彼此獨(dú)立時使用。
? 帶內(nèi)聚合:不同頻段中的頻譜聚合。這些頻段可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(shù),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(fù)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(shè)備電池使用壽命的負(fù)面影響。像BAW這樣的增強(qiáng)型濾波器技術(shù)還提供出色的頻段隔離和交叉隔離,以獲得最佳的系統(tǒng)級性能。
重要的是要注意CA有更大幾率會導(dǎo)致干擾。多頻段信號可能因濾波器衰減不足而相互干擾。當(dāng)Tx和Rx路徑之間的隔離或交叉隔離不足時,也會發(fā)生系統(tǒng)減敏,從而造成接收器靈敏度降低的情況。
多路復(fù)用器中使用的低溫補(bǔ)償濾波器技術(shù)非常適合用于跨頻段優(yōu)化隔離、衰減和OOB衰減性能,幫助設(shè)計人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
此外,在CA應(yīng)用中,與濾波器一起使用的RFFE開關(guān)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(dǎo)致系統(tǒng)噪聲增加,所以設(shè)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(shè)備信號范圍。
移動設(shè)備采用高速上行/下行鏈路來傳輸視頻和數(shù)據(jù)。接收器的靈敏度會受到噪聲的影響,進(jìn)而影響信號的接收。該噪聲會導(dǎo)致系統(tǒng)減敏。減敏是由于噪聲源導(dǎo)致的接收器靈敏度下降,這些噪聲源通常是由相同的設(shè)備無線電產(chǎn)生的。
EN-DC多路復(fù)用器和載波聚合
4G LTE-Advanced Pro支持多達(dá)5個CC。5G新無線電 (NR) CA支持多達(dá)16個連續(xù)和非連續(xù)的CC,可以聚合頻譜高達(dá)約1GHz的新5G頻段,如圖6所示。雙連接允許用戶設(shè)備同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。再加上CA,可以增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量。
圖6:LTE和5G NR CA
雙連接也廣泛用于新的5G設(shè)備中。雙連接使用戶設(shè)備能夠同時在兩個單元小組(主進(jìn)化節(jié)點(diǎn)B [eNB] 和次節(jié)點(diǎn)eNB)的多個CC上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用演進(jìn)的通用陸地?zé)o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(wǎng)絡(luò)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(fù)載均衡。
非獨(dú)立和EN-DC
5G無線電訪問網(wǎng)絡(luò)(RAN) 專用于和現(xiàn)有的4G LTE網(wǎng)絡(luò)配合使用。3GPP版本15標(biāo)準(zhǔn)允許采用多種NR部署選項,例如非獨(dú)立 (NSA) 和獨(dú)立 (SA)。NSA使用的方案與CA非常相似。它組合采用LTE錨頻段進(jìn)行控制,采用5G NR頻段提供更快的數(shù)據(jù)速率,如圖7所示。NSA是一種部署模型,在沒有端到端5G網(wǎng)絡(luò)的情況下提供5G服務(wù)。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(shè)備傳輸兩個高功率RF信號。
這種配置需要在智能手機(jī)狹小的設(shè)備區(qū)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(zhàn),即需要避免兩個強(qiáng)信號彼此干擾。在這些情況下,必須實現(xiàn)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(diào)產(chǎn)物和滿足OOB發(fā)射規(guī)范來說至關(guān)重要。此外,在信號路徑之間使用高度隔離的多路復(fù)用器,可在兩個上行鏈路信號之間實現(xiàn)共存,進(jìn)而提高效率,使智能手機(jī)和移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以節(jié)省電池用電和能源。
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