4G LTE智能手機的FBAR濾波器技術的研究

任鵬星

引言：雖然全球手機市場仍然以每季單位數字的速度增長，智能手機的出貨量卻持續激增，隨著新一代手機的推出，智能手機可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的條件下持續提供更多的功能。LTE和4G技術的出現，實現了互聯網移動服務質量和下載速度的大幅度提高。本文就對4G LTE智能手機背景下FBAR濾波器技術的研究和應用進行了探討分析。

現代智能手機中一個非常重要的部分是射頻濾波器，正如它的基本原理，濾波器主要應用于通過需要并拒絕不要的頻率，以使手機中的許多接收器可以只處理預期的信號。在過去，手機通常只在全球特定地區的少數頻段中工作，然而對于現代化的手機，基本上會在相同時間于多個無線頻段工作，包括移動通信、藍牙等，而制造商也希望設計出可在全球不同地區和不同電信運營商服務下工作的產品，要讓手機在更多頻段和地區工作代表了手機對射頻濾波的要求越來越高。

一、FBAR濾波器技術的主要優勢

手機性能測試中的一項常用指標為手機電池的使用壽命，這也是消費者選購智能手機時必然會進行比較的一項指標。在手機的接收側看，筆者對怎樣利用多頻段射頻前端補償實現FBAR低插入損耗進行了分析，從而保證4G/LTE手機獲得更高的數據率和損耗支持。同時，手機較弱信號檢測功能的實現，有助于實現移動通信覆蓋范圍的進一步擴大，防止信號接收不良造成掉線問。由手機的發射側看，發射濾波器插入損耗的降低，能夠保證天線發射功率相同時，降低功率放大器運行過程中的輸出功率損耗。該技術的應用能夠大大延長智能手機的通話時長和電池應用時間。在大部分智能手機仍然使用3G業務時，僅有部分頻段能夠受益于FBAR技術，但隨著4G LTE智能手機的出現和發展，FBAR濾波器技術的特點也得到了充分的彰顯，主要包括尺寸的極小化、隔離性強、陡峭濾波曲線和插入損耗低等，上述各項優勢也是智能手機制造商廣泛應用FBAR濾波器技術的主要原因。現階段，FBA R濾波器技術在亞洲、歐洲和美洲等多個國家都得到了大范圍的應用，并逐漸成為了智能手機設計和應用的主流技術。

在前幾代的無線技術中，濾波要求并不難達成，可能只需使用表面聲波濾波器即可，但隨著運營商網絡逐漸演進到COMA和3G，安華高科技發現公司擁有的薄膜腔聲波諧振器技術非常適合美國戶CS和部分其他頻段對于濾波的高挑戰性要求，為了可以利用目前的4G LTE服務，智能手機本身變得更為復雜，因此手機制造商已經開始擴大采用FBAR技術來解決以下即將討論4G/LTE所面對的獨特問題。

二、運行于更高數據率的4G ILTE智能手機

相較于3G服務，相同數據量下4G/LTE的下載速度大約可以達到10倍，也就是說于同樣時間內可被下載的數據量達到10倍，有幾種方法可以用來實現更高的數據率，4G LTE會依檢測到的信號強度使用不同的調制方式，簡單地說，信噪比越高，數據率就愈高，如由QPSK轉換成QAM16164調制。通過使用單刀多擲開關，結合多個雙工器的多頻段4G/LTE手機上，檢測到的信號可能過低而影響數據率，FBAR的低插入損耗有助于極大化輸入信號強度，帶來更高的數據吞吐量，從而得到更好的用戶體驗和更高的數據容量。

采用分頻多工調制的手機使用允許同時進行信號發射和接收的雙工器，由于發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和數據率。提高數據率的另一種方法是通過載波聚合，載波聚合以多于一個頻段的同時工作來提高下載數據率，部分新LTE頻段占據相對較小的頻譜，例如Band 25（SM Hz），因此這是一個網絡運營商可以有效提高通信容量的方法。由于每個頻段的發射和接收會同時工作，因此不能夠使用開關，從而使用多工器來結合各個發射和接收濾波器到相同的天線端口上，當以多工器配置結合時，AVago的FBAR濾波器可以提供低信號損耗路徑， 有助于最大限度地提高數據率。

三、4G/LTE智能手機FBAR濾波器技術的多信號的同時使用以及性能參數

現階段，無WIFi連線功能的智能手機已經基本被淘汰出競爭市場，根據手機不同的運行頻率，若濾波未得到相應的處理，則手機所發送的信號也會對WIFi功能的正常使用產生不良影響，以歐洲LTE Band7的發射頻率為例進行分析，與歐洲WIFi相鄰的信號應用頻率，能夠為智能手機提供多個WIFi熱點，此時，4G/LTE無線信號能夠與WIFi熱點同時運行，若智能手機缺乏相應的濾波能力，則WFIi收發器就會收到遮蔽，或是被Band7頻帶上LTE信號傳輸所干擾，雙工器則能夠為其提供相應的保護，從而避免高頻率的WIFi通道收到影響，進而無法正常使用，而其他的濾波器產品則不具有這一外衰減能力，進而WIFi通道受影響的幾率較高。

現階段大部分的智能手機能夠同時提供GLONAss服務以及GPS功能，因為GLONASS/GPS信號的功率通常較低，一般有一個確定的范圍，全部與GPS頻率發射信號相近的用戶都會受到不同程度的影響，進而降低手機的GLONASS/GPS信號靈敏度，而帶有LNA模塊的AGPS一FO01預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。

這項技術的性能參數主要分為以下幾個部分介紹，第一，寄生參數對FBAR濾波器的影響。本文所述的FBAR濾波器技術建模過程中，為了對封裝測試過程中的FBAR對寄生參數的影響進行修正，以MBVD模型為基礎，加入了PAD、引線等寄生參數， 同時設計出了PMBVD模型。對FBAR濾波器而言，也存在相同的的寄生參數，為了對其對FBAR濾波器特性的影響進行分析，本文將寄生參數和Mas皿模型等效電路相結合來仿真濾波器的特性變化。第二，FBAR濾波器帶寬的研究。帶寬是濾波器中的一個十分關鍵的指標，會對濾波器能否滿足通信系統需求產生直接影響，如前所述，FBAR諧振特性中串并聯諧振點的間距會直接受到FBAR中機電禍合系數小的影響， 所以，FBAR濾波器的帶寬會在一定程度上受到機電禍合系數的影響。第三，FBAR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的影響，濾波器通常需要具有較強的帶外抑制能力。由仿真結構可知 隨著FBAR濾波器級聯級數的逐漸增大，帶外的抑制性能也在隨之增強，且矩形系數變小，但實際情況是其呈現出局部放大的趨勢。隨著級數的增加，插入損耗變大，且通帶紋波不斷變大。

四、結束語

當大多數應用還是基于3G服務時，只有少數頻段可以從FBAR 技術獲益，隨著4G/LTE 多頻段智能手機的普及，FBAR技術的特性優勢，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成為所有主要智能手機制造商快速導入這個技術的原因， 目前采用FBAR 技術的濾波器、雙工器以及多工器產品已經被導入美國、歐洲和亞洲等地區15個不同工作頻段的智能手機設計中，隨著新濾波挑戰的出現，FBAR技術將繼續成為提供解答的優先選擇。

參考文獻

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（作者單位：廣東省電信工程有限公司）