在長(cháng)期演進(jìn)(LTE)載波聚合(CA)和往后的技術(shù)中，通過(guò)一根天線(xiàn)支持多頻帶同時(shí)工作的需求，給濾波器和雙工器帶來(lái)了許多附加的挑戰。隔離損耗和線(xiàn)性度可能是最難實(shí)現的?？芍貥嫙o(wú)線(xiàn)電是值得研究采納的另一條路徑。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電頻譜變得越來(lái)越擁擠，智能認知無(wú)線(xiàn)電正在不斷吸引人們的注意力。問(wèn)題是移動(dòng)電話(huà)制造商不喜歡通過(guò)增加新型號的手機來(lái)跟上帶寬需求。這種方法的性?xún)r(jià)比不高。

 

使用即將推出的載波聚合和多入多出(MIMO)設計可以用來(lái)滿(mǎn)足臨時(shí)的LTE-A和最終的5G需求。在這些新的系統中迫切需要體積更小、成本更低的濾波器(圖1)。

圖1：針對低頻帶頻率(700-900MHz)的射頻前端架構，從中可以看出射頻前端的復雜性。

 

可調諧濾波器也許能夠減輕工程師面臨的這些設計問(wèn)題，因為它能很好地裝配進(jìn)體積小、功耗低的手機中。本文將要討論一家名為Resonant的公司在這個(gè)領(lǐng)域作出的重大創(chuàng )新。借助擁有的70個(gè)專(zhuān)利，這家公司可能改變手機中的射頻前端(RFFE)的發(fā)展方向。

 

濾波器架構

 

Resonant有一款非常獨特且極具魯棒性的聲表面波(SAW)濾波器，這款濾波器的性能與體聲波(BAW)濾波器相當。

圖2：這張圖顯示了構建聲學(xué)諧振器的不同方法。

 

Resonant公司的設計師在開(kāi)發(fā)Band 3雙工器時(shí)使用了一種無(wú)限綜合網(wǎng)絡(luò )(ISN)設計方法，所使用的低成本SAW工藝相當于或是超過(guò)了BAW Band 3雙工器(對手機來(lái)說(shuō)這是成本更高的解決方案)的性能。

 

 

在今天的射頻設計環(huán)境中，工程師都會(huì )設計一個(gè)能夠支持多種技術(shù)模式(如CDMA、LTE、W-CDMA)和多頻率多頻帶的功放(PA)。這就是多模/多頻(MMMB)功放。每個(gè)射頻通路都需要一個(gè)濾波器，因此這會(huì )給手機增加額外的成本。

 

 

Resonant公司已經(jīng)在嘗試整合現代濾波器理論，針對電磁和聲學(xué)類(lèi)型的有限元模型，以及創(chuàng )新的優(yōu)化算法組。Resonant公司非常精確的濾波器模型反應了濾波器結構的物理細節，它能在損耗、隔離度以及功耗處理能力和線(xiàn)性度方面提供真實(shí)的濾波器性能。

 

由于現在可以在計算機上完成優(yōu)化過(guò)程，不需要使用代工廠(chǎng)中高成本的多次反復迭代，因此設計師能夠極大地減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和復雜性。另外一個(gè)附加的好處是，可以在生產(chǎn)出硬件之前完成許多溫度范圍內的性能優(yōu)化設計和仿真。

 

可以針對比如LTE要求的更高功耗和更高溫度條件(LTE工作時(shí)的功耗要比CDMA高)對設計進(jìn)行優(yōu)化。最終這將提高良率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，帶來(lái)更快的投資回報(ROI)。

 

 

 

這種無(wú)線(xiàn)電架構可以提高頻譜使用效率，并可能降低手機的成本。目前的多標準無(wú)線(xiàn)電軟硬件架構不會(huì )減少頻譜，而下一代標準的數量肯定還會(huì )顯著(zhù)增加。

 

軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)被很多人建議為可行的解決方案。這種解決方案的問(wèn)題是，它對射頻部分的要求更加苛刻，需要更高的動(dòng)態(tài)范圍，并且需要電源提供高得多的功率。這對筆記本電腦來(lái)說(shuō)沒(méi)問(wèn)題，但對手持設備來(lái)說(shuō)就有問(wèn)題了。由于高帶寬需求，甚至不可能達到目前手機具有的無(wú)線(xiàn)靈敏度。

 

可重構無(wú)線(xiàn)電將能夠選擇多個(gè)頻帶。這種解決方案的架構會(huì )把可調諧無(wú)源濾波器集成進(jìn)收發(fā)器前端(圖3)。

圖3：這種架構展示了使用可調諧既定濾波器的可重構無(wú)線(xiàn)電。(a)是直接轉換設計，(b)是射頻帶通采樣架構。

 

高動(dòng)態(tài)范圍要求被圖3a降低了，其原因是這種架構有助于消除靠近感興趣信號的干擾和阻塞信號，因此在低噪聲放大器(LNA)或混頻器中較少可能發(fā)生射頻電路飽和。模數轉換器(ADC)現在也不需要這么高的動(dòng)態(tài)范圍，因此可以更簡(jiǎn)單，從而降低成本。

 

圖3b用射頻采樣替代下變頻模塊，許多通道可以同時(shí)處理。這種在A(yíng)DC之前使用可調諧抗混疊濾波器的方法是最好的功效選擇，并且在重構無(wú)線(xiàn)電時(shí)有更多的選擇。

 

然而這種技術(shù)在能夠真正用于未來(lái)智能手機之前仍然面臨諸多的挑戰。一個(gè)問(wèn)題是，當使用可重構無(wú)線(xiàn)電技術(shù)時(shí)，新入者獲得全國性無(wú)線(xiàn)許可的成本有多高？美國聯(lián)邦通訊委員會(huì )(FCC)需要開(kāi)發(fā)新的拍賣(mài)協(xié)議嗎？另外，除了可調諧天線(xiàn)和濾波器、交換機和頻率合成器外，可能還需要其它支撐組件。最后，為了保持不中斷的連接，需要什么樣的調諧速度？

 

 

在5G萬(wàn)物網(wǎng)(IoE)時(shí)代，蜂窩手機用戶(hù)需要在任何時(shí)間任何地方獲得信息。對于手持式電池供電設備來(lái)說(shuō)，這將是電池壽命的殺手。

 

論文“RF receiver design for IoE applications(針對萬(wàn)物互聯(lián)應用的射頻接收器設計)”推薦了一種采用不同接收器架構中的平移電路設計的射頻接收器。針對任何射頻頻率開(kāi)發(fā)的高Q帶通濾波器有助于降低射頻接收器功耗。這種平移電路如圖4所示。

圖4：(a)是平移電路框圖，(b)是其頻率響應，(c)是時(shí)域表現。

 

平移電路最先出現于20世紀40年代，由于射頻設計師需要在LO頻率點(diǎn)產(chǎn)生高Q值的帶通濾波器而得以復興。直到現在，滿(mǎn)足GSM和LTE高性能需求的射頻接收器已經(jīng)成為這種架構的目標?，F在還可以進(jìn)一步降低功耗，同時(shí)保持LTE、LTE-A和最終5G的可接受性能嗎？待定。