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5G手机中的射频滤波器和前端将发生重大变化

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在长期演进(LTE)载波聚合(CA)和往后的技术中，通过一根天线支持多频带同时工作的需求，给滤波器和双工器带来了许多附加的挑战。隔离损耗和线性度可能是最难实现的。可重构无线电是值得研究采纳的另一条路径。

随着无线电频谱变得越来越拥挤，智能认知无线电正在不断吸引人们的注意力。问题是移动电话制造商不喜欢通过增加新型号的手机来跟上带宽需求。这种方法的性价比不高。

使用即将推出的载波聚合和多入多出(MIMO)设计可以用来满足临时的LTE-A和最终的5G需求。在这些新的系统中迫切需要体积更小、成本更低的滤波器(图1)。

图1：针对低频带频率(700-900MHz)的射频前端架构，从中可以看出射频前端的复杂性。

可调谐滤波器也许能够减轻工程师面临的这些设计问题，因为它能很好地装配进体积小、功耗低的手机中。本文将要讨论一家名为Resonant的公司在这个领域作出的重大创新。借助拥有的70个专利，这家公司可能改变手机中的射频前端(RFFE)的发展方向。

滤波器架构

Resonant有一款非常独特且极具鲁棒性的声表面波(SAW)滤波器，这款滤波器的性能与体声波(BAW)滤波器相当。

图2：这张图显示了构建声学谐振器的不同方法。

Resonant公司的设计师在开发Band 3双工器时使用了一种无限综合网络(ISN)设计方法，所使用的低成本SAW工艺相当于或是超过了BAW Band 3双工器(对手机来说这是成本更高的解决方案)的性能。

功放

在今天的射频设计环境中，工程师都会设计一个能够支持多种技术模式(如CDMA、LTE、W-CDMA)和多频率多频带的功放(PA)。这就是多模/多频(MMMB)功放。每个射频通路都需要一个滤波器，因此这会给手机增加额外的成本。

无限综合网络(ISN)

Resonant公司已经在尝试整合现代滤波器理论，针对电磁和声学类型的有限元模型，以及创新的优化算法组。Resonant公司非常精确的滤波器模型反应了滤波器结构的物理细节，它能在损耗、隔离度以及功耗处理能力和线性度方面提供真实的滤波器性能。

由于现在可以在计算机上完成优化过程，不需要使用代工厂中高成本的多次反复迭代，因此设计师能够极大地减少开发时间和复杂性。另外一个附加的好处是，可以在生产出硬件之前完成许多温度范围内的性能优化设计和仿真。

可以针对比如LTE要求的更高功耗和更高温度条件(LTE工作时的功耗要比CDMA高)对设计进行优化。最终这将提高良率，进而降低生产成本，带来更快的投资回报(ROI)。

其它架构选择

可重构无线电，这种无线电架构可以提高频谱使用效率，并可能降低手机的成本。目前的多标准无线电软硬件架构不会减少频谱，而下一代标准的数量肯定还会显著增加。

软件定义无线电(SDR)被很多人建议为可行的解决方案。这种解决方案的问题是，它对射频部分的要求更加苛刻，需要更高的动态范围，并且需要电源提供高得多的功率。这对笔记本电脑来说没问题，但对手持设备来说就有问题了。由于高带宽需求，甚至不可能达到目前手机具有的无线灵敏度。

可重构无线电将能够选择多个频带。这种解决方案的架构会把可调谐无源滤波器集成进收发器前端(图3)。

图3：这种架构展示了使用可调谐既定滤波器的可重构无线电。(a)是直接转换设计，(b)是射频带通采样架构。

高动态范围要求被图3a降低了，其原因是这种架构有助于消除靠近感兴趣信号的干扰和阻塞信号，因此在低噪声放大器(LNA)或混频器中较少可能发生射频电路饱和。模数转换器(ADC)现在也不需要这么高的动态范围，因此可以更简单，从而降低成本。

图3b用射频采样替代下变频模块，许多通道可以同时处理。这种在ADC之前使用可调谐抗混叠滤波器的方法是最好的功效选择，并且在重构无线电时有更多的选择。

然而这种技术在能够真正用于未来智能手机之前仍然面临诸多的挑战。一个问题是，当使用可重构无线电技术时，新入者获得全国性无线许可的成本有多高？美国联邦通讯委员会(FCC)需要开发新的拍卖协议吗？另外，除了可调谐天线和滤波器、交换机和频率合成器外，可能还需要其它支撑组件。最后，为了保持不中断的连接，需要什么样的调谐速度？

替代性的射频接收器设计

在5G万物网(IoE)时代，蜂窝手机用户需要在任何时间任何地方获得信息。对于手持式电池供电设备来说，这将是电池寿命的杀手。

论文“RF receiver design for IoE applications(针对万物互联应用的射频接收器设计)”推荐了一种采用不同接收器架构中的平移电路设计的射频接收器。针对任何射频频率开发的高Q带通滤波器有助于降低射频接收器功耗。这种平移电路如图4所示。