【導讀】多路復用器是一組射頻(RF)濾波器，它們組合在一起，但不會(huì )彼此加載，可以在輸出之間實(shí)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(chǎn)生很大影響；天線(xiàn)復用器被用在射頻前端后面，以簡(jiǎn)化與天線(xiàn)之間的路由。
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(chuàng )造出更復雜的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)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(huì )彼此加載，可以在輸出之間實(shí)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(chǎn)生很大影響；天線(xiàn)復用器被用在射頻前端后面，以簡(jiǎn)化與天線(xiàn)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(gè)封裝中。圖1提供了嵌入在復雜的模塊設計中的多種類(lèi)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(chēng)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(gè)簡(jiǎn)單的雙工器可以與其他的雙工器和濾波器組合，創(chuàng )建更復雜的多路復用器設計。就像頻分雙工(FDD)頻段是1和3，時(shí)分雙工(TDD)濾波器是頻段41。
如今的無(wú)線(xiàn)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(gè)不重疊的濾波器頻段集成到一個(gè)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(lèi)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(mǎn)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(yōu)化、縮小和簡(jiǎn)化整體設計，以滿(mǎn)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(shí)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(fā)射和接收濾波器集成至一個(gè)元件中，不僅進(jìn)行了必要的隔離，而且允許多個(gè) CC同時(shí)連接到天線(xiàn)。
圖2：多路復用器濾波器的類(lèi)型
為了獲得所要求的性能，多路復用器濾波器必須經(jīng)過(guò)精心協(xié)同設計和匹配。圖3顯示了每個(gè)濾波器的六工器RF插入損耗。正如大家所看到的，這個(gè)多路復用器（六工器）中的每個(gè)雙工器都是匹配的，以實(shí)現最佳插入損耗和通帶。此外，單個(gè)濾波器的設計確保它們不會(huì )相互加載。
TIPS
憑借高集成度，設計優(yōu)良的多路復用器能夠為移動(dòng)設備工程師帶來(lái)更多好處。與使用分立式濾波器相比，將多個(gè)濾波器整合至單個(gè)組件可以節省關(guān)鍵的印刷電路板空間。
關(guān)于在這些復雜的系統中使用可調濾波器，有過(guò)一些討論。然而，使用可調濾波器可能不會(huì )提升系統的功能性，因為如今的所有系統都需要同時(shí)使用多個(gè)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(dòng)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(guò)，隔離程度和交叉隔離都是值得關(guān)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(gè)節點(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(gè)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(jìn)行大幅衰減。對于四工器這樣的多路復用器，需要在兩個(gè)接收輸出端對Tx信號進(jìn)行大幅衰減。同樣，現在必須在兩個(gè)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(shí)，四工器中有八個(gè)重要的隔離，而雙工器中只有兩個(gè)。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(gè)組件中的兩個(gè)不同的Tx至Rx頻段之間的測量，隔離是對同一個(gè)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(shí)現聚合RF路徑之間所需的交叉隔離，以實(shí)現在所有聚合載波上同步通信，同時(shí)衰減每個(gè)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(gè)復雜功能。濾波器技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)采用基于長(cháng)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、氮化鋁增強和材料摻雜方面的進(jìn)步有助于實(shí)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(zhù)CA CC數量的增加，多路復用器的重要性會(huì )不斷增加。例如，聚合三個(gè)或更多的CC會(huì )顯著(zhù)增加使用緊密連接的頻段的可能性。這些機會(huì )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(guò)組合兩個(gè)或多個(gè)載波信號來(lái)實(shí)現更高的數據速率。隨著(zhù)越來(lái)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(gè)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(lèi)，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(shí)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(shí)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(kāi)，或連在一起。
圖5：三種類(lèi)型的CA
具有高OOB抑制的線(xiàn)性多路復用器濾波器支持使用多種CA組合。通過(guò)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(shù)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(huì )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(shí)，也會(huì )發(fā)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(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(kāi)關(guān)需要超高的線(xiàn)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(huì )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(dòng)設備采用高速上行/下行鏈路來(lái)傳輸視頻和數據。接收器的靈敏度會(huì )受到噪聲的影響，進(jìn)而影響信號的接收。該噪聲會(huì )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(wú)線(xiàn)電產(chǎn)生的。
EN-DC多路復用器和載波聚合
4G LTE-Advanced Pro支持多達5個(gè)CC。5G新無(wú)線(xiàn)電 (NR) CA支持多達16個(gè)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(hù)設備同時(shí)發(fā)送和接收數據。再加上CA，可以增加網(wǎng)絡(luò )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(hù)設備能夠同時(shí)在兩個(gè)單元小組（主進(jìn)化節點(diǎn)B [eNB] 和次節點(diǎn)eNB）的多個(gè)CC上發(fā)送和接收數據。使用演進(jìn)的通用陸地無(wú)線(xiàn)接入 (E-UTRA)（這是3GPP的無(wú)線(xiàn)接口）和5G NR雙連接或E-UTRA NR雙連接 (EN-DC) 時(shí)，網(wǎng)絡(luò )可以利用4G和5G頻譜來(lái)增加用戶(hù)吞吐量，提供移動(dòng)信號可靠性，并支持eNB的負載均衡。
非獨立和EN-DC
5G無(wú)線(xiàn)電訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )(RAN) 專(zhuān)用于和現有的4G LTE網(wǎng)絡(luò )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(jìn)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(méi)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(shí)使用。使用EN-DC時(shí)，一個(gè)設備傳輸兩個(gè)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(lái)了很大的挑戰，即需要避免兩個(gè)強信號彼此干擾。在這些情況下，必須實(shí)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(chǎn)物和滿(mǎn)足OOB發(fā)射規范來(lái)說(shuō)至關(guān)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(gè)上行鏈路信號之間實(shí)現共存，進(jìn)而提高效率，使智能手機和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商可以節省電池用電和能源。
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