4G LTE智能手机的FBAR滤波器技术的研究

任鹏星

引言：虽然全球手机市场仍然以每季单位数字的速度增长，智能手机的出货量却持续激增，随着新一代手机的推出，智能手机可以在不需要大幅度增加尺寸和重量的条件下持续提供更多的功能。LTE和4G技术的出现，实现了互联网移动服务质量和下载速度的大幅度提高。本文就对4G LTE智能手机背景下FBAR滤波器技术的研究和应用进行了探讨分析。

现代智能手机中一个非常重要的部分是射频滤波器，正如它的基本原理，滤波器主要应用于通过需要并拒绝不要的频率，以使手机中的许多接收器可以只处理预期的信号。在过去，手机通常只在全球特定地区的少数频段中工作，然而对于现代化的手机，基本上会在相同时间于多个无线频段工作，包括移动通信、蓝牙等，而制造商也希望设计出可在全球不同地区和不同电信运营商服务下工作的产品，要让手机在更多频段和地区工作代表了手机对射频滤波的要求越来越高。

一、FBAR滤波器技术的主要优势

手机性能测试中的一项常用指标为手机电池的使用寿命，这也是消费者选购智能手机时必然会进行比较的一项指标。在手机的接收侧看，笔者对怎样利用多频段射频前端补偿实现FBAR低插入损耗进行了分析，从而保证4G/LTE手机获得更高的数据率和损耗支持。同时，手机较弱信号检测功能的实现，有助于实现移动通信覆盖范围的进一步扩大，防止信号接收不良造成掉线问。由手机的发射侧看，发射滤波器插入损耗的降低，能够保证天线发射功率相同时，降低功率放大器运行过程中的输出功率损耗。该技术的应用能够大大延长智能手机的通话时长和电池应用时间。在大部分智能手机仍然使用3G业务时，仅有部分频段能够受益于FBAR技术，但随着4G LTE智能手机的出现和发展，FBAR滤波器技术的特点也得到了充分的彰显，主要包括尺寸的极小化、隔离性强、陡峭滤波曲线和插入损耗低等，上述各项优势也是智能手机制造商广泛应用FBAR滤波器技术的主要原因。现阶段，FBA R滤波器技术在亚洲、欧洲和美洲等多个国家都得到了大范围的应用，并逐渐成为了智能手机设计和应用的主流技术。

在前几代的无线技术中，滤波要求并不难达成，可能只需使用表面声波滤波器即可，但随着运营商网络逐渐演进到COMA和3G，安华高科技发现公司拥有的薄膜腔声波谐振器技术非常适合美国户CS和部分其他频段对于滤波的高挑战性要求，为了可以利用目前的4G LTE服务，智能手机本身变得更为复杂，因此手机制造商已经开始扩大采用FBAR技术来解决以下即将讨论4G/LTE所面对的独特问题。

二、运行于更高数据率的4G ILTE智能手机

相较于3G服务，相同数据量下4G/LTE的下载速度大约可以达到10倍，也就是说于同样时间内可被下载的数据量达到10倍，有几种方法可以用来实现更高的数据率，4G LTE会依检测到的信号强度使用不同的调制方式，简单地说，信噪比越高，数据率就愈高，如由QPSK转换成QAM16164调制。通过使用单刀多掷开关，结合多个双工器的多频段4G/LTE手机上，检测到的信号可能过低而影响数据率，FBAR的低插入损耗有助于极大化输入信号强度，带来更高的数据吞吐量，从而得到更好的用户体验和更高的数据容量。

采用分频多工调制的手机使用允许同时进行信号发射和接收的双工器，由于发射和接收滤波器连接到相同的天线端口，因此彼此间的滤波器隔离就非常重要，较高的隔离会将接收频段的噪声降至最低，而正如前面所讨论，这可以提高SNR和数据率。提高数据率的另一种方法是通过载波聚合，载波聚合以多于一个频段的同时工作来提高下载数据率，部分新LTE频段占据相对较小的频谱，例如Band 25（SM Hz），因此这是一个网络运营商可以有效提高通信容量的方法。由于每个频段的发射和接收会同时工作，因此不能够使用开关，从而使用多工器来结合各个发射和接收滤波器到相同的天线端口上，当以多工器配置结合时，AVago的FBAR滤波器可以提供低信号损耗路径， 有助于最大限度地提高数据率。

三、4G/LTE智能手机FBAR滤波器技术的多信号的同时使用以及性能参数

现阶段，无WIFi连线功能的智能手机已经基本被淘汰出竞争市场，根据手机不同的运行频率，若滤波未得到相应的处理，则手机所发送的信号也会对WIFi功能的正常使用产生不良影响，以欧洲LTE Band7的发射频率为例进行分析，与欧洲WIFi相邻的信号应用频率，能够为智能手机提供多个WIFi热点，此时，4G/LTE无线信号能够与WIFi热点同时运行，若智能手机缺乏相应的滤波能力，则WFIi收发器就会收到遮蔽，或是被Band7频带上LTE信号传输所干扰，双工器则能够为其提供相应的保护，从而避免高频率的WIFi通道收到影响，进而无法正常使用，而其他的滤波器产品则不具有这一外衰减能力，进而WIFi通道受影响的几率较高。

现阶段大部分的智能手机能够同时提供GLONAss服务以及GPS功能，因为GLONASS/GPS信号的功率通常较低，一般有一个确定的范围，全部与GPS频率发射信号相近的用户都会受到不同程度的影响，进而降低手机的GLONASS/GPS信号灵敏度，而带有LNA模块的AGPS一FO01预滤波器则具有宽带衰减和陡峭滤波能力，能够提供先性功能和遮蔽功能。

这项技术的性能参数主要分为以下几个部分介绍，第一，寄生参数对FBAR滤波器的影响。本文所述的FBAR滤波器技术建模过程中，为了对封装测试过程中的FBAR对寄生参数的影响进行修正，以MBVD模型为基础，加入了PAD、引线等寄生参数， 同时设计出了PMBVD模型。对FBAR滤波器而言，也存在相同的的寄生参数，为了对其对FBAR滤波器特性的影响进行分析，本文将寄生参数和Mas皿模型等效电路相结合来仿真滤波器的特性变化。第二，FBAR滤波器带宽的研究。带宽是滤波器中的一个十分关键的指标，会对滤波器能否满足通信系统需求产生直接影响，如前所述，FBAR谐振特性中串并联谐振点的间距会直接受到FBAR中机电祸合系数小的影响， 所以，FBAR滤波器的带宽会在一定程度上受到机电祸合系数的影响。第三，FBAR滤波器带外抑制的研究。为了最大限度降低滤波器通带所受干扰信号的影响，滤波器通常需要具有较强的带外抑制能力。由仿真结构可知 随着FBAR滤波器级联级数的逐渐增大，带外的抑制性能也在随之增强，且矩形系数变小，但实际情况是其呈现出局部放大的趋势。随着级数的增加，插入损耗变大，且通带纹波不断变大。

四、结束语

当大多数应用还是基于3G服务时，只有少数频段可以从FBAR 技术获益，随着4G/LTE 多频段智能手机的普及，FBAR技术的特性优势，例如低插入损耗、陡峭滤波曲线、高隔离性和极小化的尺寸等已经成为所有主要智能手机制造商快速导入这个技术的原因， 目前采用FBAR 技术的滤波器、双工器以及多工器产品已经被导入美国、欧洲和亚洲等地区15个不同工作频段的智能手机设计中，随着新滤波挑战的出现，FBAR技术将继续成为提供解答的优先选择。

参考文献

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（作者单位：广东省电信工程有限公司）