在長期演進(jìn)(LTE)載波聚合(CA)和往后的技術(shù)中，通過一根天線支持多頻帶同時(shí)工作的需求，給濾波器和雙工器帶來了許多附加的挑戰(zhàn)。隔離損耗和線性度可能是最難實(shí)現(xiàn)的?？芍貥?gòu)無線電是值得研究采納的另一條路徑。隨著無線電頻譜變得越來越擁擠，智能認(rèn)知無線電正在不斷吸引人們的注意力。問題是移動(dòng)電話制造商不喜歡通過增加新型號(hào)的手機(jī)來跟上帶寬需求。這種方法的性價(jià)比不高。

 

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

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

 

可調(diào)諧濾波器也許能夠減輕工程師面臨的這些設(shè)計(jì)問題，因?yàn)樗芎芎玫匮b配進(jìn)體積小、功耗低的手機(jī)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)專利，這家公司可能改變手機(jī)中的射頻前端(RFFE)的發(fā)展方向。

 

濾波器架構(gòu)

 

Resonant有一款非常獨(dú)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(dāng)。

圖2：這張圖顯示了構(gòu)建聲學(xué)諧振器的不同方法。

 

Resonant公司的設(shè)計(jì)師在開發(fā)Band 3雙工器時(shí)使用了一種無限綜合網(wǎng)絡(luò)(ISN)設(shè)計(jì)方法，所使用的低成本SAW工藝相當(dāng)于或是超過了BAW Band 3雙工器(對(duì)手機(jī)來說這是成本更高的解決方案)的性能。

 

 

在今天的射頻設(shè)計(jì)環(huán)境中，工程師都會(huì)設(shè)計(jì)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(jī)增加額外的成本。

 

 

Resonant公司已經(jīng)在嘗試整合現(xiàn)代濾波器理論，針對(duì)電磁和聲學(xué)類型的有限元模型，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(yīng)了濾波器結(jié)構(gòu)的物理細(xì)節(jié)，它能在損耗、隔離度以及功耗處理能力和線性度方面提供真實(shí)的濾波器性能。

 

由于現(xiàn)在可以在計(jì)算機(jī)上完成優(yōu)化過程，不需要使用代工廠中高成本的多次反復(fù)迭代，因此設(shè)計(jì)師能夠極大地減少開發(fā)時(shí)間和復(fù)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(nèi)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真。

 

可以針對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。最終這將提高良率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，帶來更快的投資回報(bào)(ROI)。

 

 

 

這種無線電架構(gòu)可以提高頻譜使用效率，并可能降低手機(jī)的成本。目前的多標(biāo)準(zhǔn)無線電軟硬件架構(gòu)不會(huì)減少頻譜，而下一代標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量肯定還會(huì)顯著增加。

 

軟件定義無線電(SDR)被很多人建議為可行的解決方案。這種解決方案的問題是，它對(duì)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(duì)筆記本電腦來說沒問題，但對(duì)手持設(shè)備來說就有問題了。由于高帶寬需求，甚至不可能達(dá)到目前手機(jī)具有的無線靈敏度。

 

可重構(gòu)無線電將能夠選擇多個(gè)頻帶。這種解決方案的架構(gòu)會(huì)把可調(diào)諧無源濾波器集成進(jìn)收發(fā)器前端(圖3)。

圖3：這種架構(gòu)展示了使用可調(diào)諧既定濾波器的可重構(gòu)無線電。(a)是直接轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，(b)是射頻帶通采樣架構(gòu)。

 

高動(dòng)態(tài)范圍要求被圖3a降低了，其原因是這種架構(gòu)有助于消除靠近感興趣信號(hào)的干擾和阻塞信號(hào)，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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)現(xiàn)在也不需要這么高的動(dòng)態(tài)范圍，因此可以更簡單，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ADC之前使用可調(diào)諧抗混疊濾波器的方法是最好的功效選擇，并且在重構(gòu)無線電時(shí)有更多的選擇。

 

然而這種技術(shù)在能夠真正用于未來智能手機(jī)之前仍然面臨諸多的挑戰(zhàn)。一個(gè)問題是，當(dāng)使用可重構(gòu)無線電技術(shù)時(shí)，新入者獲得全國性無線許可的成本有多高？美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)需要開發(fā)新的拍賣協(xié)議嗎？另外，除了可調(diào)諧天線和濾波器、交換機(jī)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(diào)諧速度？

 

 

在5G萬物網(wǎng)(IoE)時(shí)代，蜂窩手機(jī)用戶需要在任何時(shí)間任何地方獲得信息。對(duì)于手持式電池供電設(shè)備來說，這將是電池壽命的殺手。

 

論文“RF receiver design for IoE applications(針對(duì)萬物互聯(lián)應(yīng)用的射頻接收器設(shè)計(jì))”推薦了一種采用不同接收器架構(gòu)中的平移電路設(shè)計(jì)的射頻接收器。針對(duì)任何射頻頻率開發(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(yīng)，(c)是時(shí)域表現(xiàn)。

 

平移電路最先出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代，由于射頻設(shè)計(jì)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(fù)興。直到現(xiàn)在，滿足GSM和LTE高性能需求的射頻接收器已經(jīng)成為這種架構(gòu)的目標(biāo)。現(xiàn)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。