滤波器双工器滤波器双工器2016-5-31Huang Bingjun1全面分析 •1. 微波滤波器概述微波滤波器概述•2. 滤波器理论基础滤波器理论基础•3.不同种类滤波器特点不同种类滤波器特点•4.FBAR和其它滤波器的对比和其它滤波器的对比•5. 双工器基本原理与相关指标双工器基本原理与相关指标•6.微波滤微波滤波器波器双工器厂家双工器厂家•7.双工器双工器Layout注意事项注意事项2全面分析 1.微波滤波器概述微波滤波器概述◆◆微波滤波器是微波系统中重要元件之一，微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它是一种对频率具有选择性的它是一种对频率具有选择性的二端口二端口网络，网络，用来分离或者组合各种不同频率信号的重要用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件主要作用是抑制不需要的信号元件主要作用是抑制不需要的信号, 使其不使其不能通过滤波器能通过滤波器, 只让需要的信号通过只让需要的信号通过3全面分析 ◆◆微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；等波纹型；◆◆按材料分：按材料分：基于分立电感基于分立电感(L)和电容和电容(C)的集总元的集总元件滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、腔体滤波器、件滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、腔体滤波器、声表面波声表面波(SAW)滤波器、体声波滤波器、体声波(BAW)滤波器、薄膜滤波器、薄膜体声波谐振体声波谐振(FBAR)滤波器、微机电系统滤波器、微机电系统(MEMS)滤波滤波器甚至有源的半导体可调滤波器器甚至有源的半导体可调滤波器。
4全面分析 ◆◆从功能方面，滤波器一般分为：低通滤波器、带从功能方面，滤波器一般分为：低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、延时滤波器通滤波器、高通滤波器、带阻滤波器、延时滤波器等；等；◆◆对于带通滤波器，其主要性能指标有：对于带通滤波器，其主要性能指标有：a）通带频率；）通带频率；b) 插入损耗；插入损耗； c) 回波损耗；回波损耗；d) 通带波纹通带波纹; e) 带外抑制；带外抑制； f) 功率容量功率容量滤波器滤波器端口端口1端口端口25全面分析 ◆◆从实现形式，微波滤波器主要有：微带滤从实现形式，微波滤波器主要有：微带滤波器，波导腔体滤波器、介质滤波器等波器，波导腔体滤波器、介质滤波器等同轴腔体滤波器同轴腔体滤波器梳妆线滤波器梳妆线滤波器6全面分析 波导滤波器波导滤波器介质滤波器介质滤波器7全面分析 8全面分析 2.滤波器理论基础滤波器理论基础最平坦型（最平坦型（Butterworth））:通带内插损和带外抑制通带内插损和带外抑制(-dB, 图中，图中，k=0.3,1;N=5)9全面分析 等波纹型（等波纹型（Chebyshev））通带内插损和带外抑制通带内插损和带外抑制(-dB, 图中，图中，k=0.3,1; N=5)两种响应的比较两种响应的比较10全面分析 椭圆函数型（椭圆函数型（Elliptic Function））:椭圆函数滤波器椭圆函数滤波器:（（N=6,ripple=0.5dB））11全面分析 3.不同种类滤波器特点不同种类滤波器特点◆◆集总元件或集总元件或LC滤波器通常工作于频率约滤波器通常工作于频率约3GHz以以下的应用。
这些滤波器的尺寸取决于工作频率和下的应用这些滤波器的尺寸取决于工作频率和LC元件的尺寸元件的尺寸◆◆陶瓷滤波器是在很薄的陶瓷基板上制造的，使用陶瓷滤波器是在很薄的陶瓷基板上制造的，使用分立型或集成式元件组成谐振电路根据陶瓷基板分立型或集成式元件组成谐振电路根据陶瓷基板的介电常数陶瓷滤波器可以做得特别小，介电常的介电常数陶瓷滤波器可以做得特别小，介电常数越高的材料可以做出越小的滤波器使用批量生数越高的材料可以做出越小的滤波器使用批量生产方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小产方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小陶陶瓷滤波器工作频率受限于约瓷滤波器工作频率受限于约6GHz，功率电平受限于，功率电平受限于约约5W，但非常适合做成要求小尺寸的带通和带阻滤，但非常适合做成要求小尺寸的带通和带阻滤波器12全面分析 ◆◆腔体滤波器可以处理高达约腔体滤波器可以处理高达约500W的功率电平，并的功率电平，并具有突出的插损性能腔体滤波器的工作频率可以具有突出的插损性能腔体滤波器的工作频率可以高达约高达约30GHz与LC和陶瓷滤波器相比，它们的体和陶瓷滤波器相比，它们的体积较大，价格也较贵，因为它们一般是从铝块加工积较大，价格也较贵，因为它们一般是从铝块加工而成的而成的。
◆◆螺旋式滤波器由一系列磁性耦合腔体组成，也属螺旋式滤波器由一系列磁性耦合腔体组成，也属于于LC滤波器，同样受限于仅通带格式下的约滤波器，同样受限于仅通带格式下的约3GHz频率虽然比传统的频率虽然比传统的LC滤波器具有更陡峭的响应，滤波器具有更陡峭的响应，但输入功率受限于约但输入功率受限于约5W13全面分析 ◆◆SAW、、BAW和和FBAR滤波器采用半导体制造技术滤波器采用半导体制造技术制造，使用光蚀刻工艺产生精细图案，而制造，使用光蚀刻工艺产生精细图案，而MEMS滤滤波器采用这些工艺形成三维结构所有这些滤波器波器采用这些工艺形成三维结构所有这些滤波器都可以小至都可以小至2x2mm，虽然在电源处理能力方面有所，虽然在电源处理能力方面有所限制SAW、、BAW和和FBAR滤波器通常用于蜂窝通滤波器通常用于蜂窝通信，工作频率最高约为信，工作频率最高约为3GHzMEMS滤波器的滤波器的工作频率有可能做到工作频率有可能做到18GHz以上以上◆◆fbar滤波器是滤波器是 film bulk acoustic resonator滤波滤波器的简称，译为薄膜腔声谐振滤波器，基本结构器的简称，译为薄膜腔声谐振滤波器，基本结构：：14全面分析 ◆◆FBAR由由Agilent(Avago前身）前身）在在1999年率先研年率先研发出来并在美国发出来并在美国PCS频段商用，频段商用，FBAR具有体积小、具有体积小、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大、高高Q、大功率容量、低温度系数以及良好的抗静电、大功率容量、低温度系数以及良好的抗静电冲击能力和半导体工艺兼容性等优点。
利用冲击能力和半导体工艺兼容性等优点利用FBAR技术可以制作滤波器、振荡器、双工器等多种高性技术可以制作滤波器、振荡器、双工器等多种高性能频率器件能频率器件FBAR的主要应用的主要应用PCS,CDMA和和W-CDMA，，LTE用射频滤波器，用射频滤波器，FBAR振荡器等在手振荡器等在滤波器，双工器，射频前端及机滤波器，双工器，射频前端及PGS接收前端模块接收前端模块已大量使用已大量使用15全面分析 4.FBAR和其它滤波器的对比和其它滤波器的对比16全面分析 17全面分析 18全面分析 19全面分析 20全面分析 21全面分析 5. 双工器基本原理与相关指标双工器基本原理与相关指标●基本概念基本概念 双工器是异频双工电台，中继台的主要配件，其作双工器是异频双工电台，中继台的主要配件，其作用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都用是将发射和接收讯号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作能同时正常工作.它是由两组不同频率的阻带滤波器它是由两组不同频率的阻带滤波器组成，避免本机发射信号传输到接收机一般双工组成，避免本机发射信号传输到接收机一般双工器由六个阻带滤波器（陷波器）组成，各谐振于发器由六个阻带滤波器（陷波器）组成，各谐振于发射和接收频率。
接收端滤波器谐振于发射频率，并射和接收频率接收端滤波器谐振于发射频率，并防指发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接防指发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接收频率22全面分析 ●双工器是由两个滤波器组成的单元双工器是由两个滤波器组成的单元,是三端是三端口网络超过三端口的多端口网络为多工器超过三端口的多端口网络为多工器滤波器滤波器1端口端口1端口端口2滤波器滤波器2端口端口323全面分析 ●双工器的指标双工器的指标•a 工作频率及带宽工作频率及带宽•b 隔离度隔离度•c 插入损耗插入损耗 •d 频率稳定度频率稳定度•e e 特性阻抗，最大输入功率特性阻抗，最大输入功率•f 驻波比驻波比•g 回波损耗回波损耗24全面分析 a、工作频率及带宽、工作频率及带宽双工器的工作频率范围应当不窄于应用对象本身的双工器的工作频率范围应当不窄于应用对象本身的工作频率范围工作频率范围通常我们所说的带宽，是指无线机配上双工器通常我们所说的带宽，是指无线机配上双工器后接收机的输入带宽和发射机的输出带宽后接收机的输入带宽和发射机的输出带宽对于双工器来讲，即是两个等效带阻滤波器的阻带对于双工器来讲，即是两个等效带阻滤波器的阻带带宽，而不是取决于通带带宽。
从其频率响应曲线带宽，而不是取决于通带带宽从其频率响应曲线上看，即是两个阻带在一定衰减量时的频率范围上看，即是两个阻带在一定衰减量时的频率范围25全面分析 b、隔离度、隔离度隔离度隔离度 双工器的隔离度是指两个等效带阻滤波器双工器的隔离度是指两个等效带阻滤波器的阻带衰减量，除一些特定的场合外，一般双工器的阻带衰减量，除一些特定的场合外，一般双工器的接收通道和发射通道中的阻带的衰减量，也即双的接收通道和发射通道中的阻带的衰减量，也即双工器的接收端和发射端至天线端的隔离度相当的工器的接收端和发射端至天线端的隔离度相当的 c c、插入损耗、插入损耗双工器的插入损耗是指对应于通道中，通带频点对双工器的插入损耗是指对应于通道中，通带频点对有用信号的损耗可用公式：１０ＬｇＰｉ有用信号的损耗可用公式：１０ＬｇＰｉ/Ｐｏ或Ｐｏ或２０ＬｇＵｉ２０ＬｇＵｉ/Ｕｏ来表示其中Ｐｉ、Ｕｉ表示进Ｕｏ来表示其中Ｐｉ、Ｕｉ表示进入双工器的信号功率或电平；Ｐｏ、Ｕｏ表示从双入双工器的信号功率或电平；Ｐｏ、Ｕｏ表示从双工器出来的信号功率或电平工器出来的信号功率或电平26全面分析 d、频率稳定度、频率稳定度双工器的频率稳定度应包括两个含义：双工器的频率稳定度应包括两个含义：一是本身结构的稳定性，使其分布参数具有一定的稳定度；一是本身结构的稳定性，使其分布参数具有一定的稳定度；二是其温度稳定性。
二是其温度稳定性e e、特性阻抗、最大输入功率、特性阻抗、最大输入功率最大输入功率是一个双工器所能承受的最大的输入功率，是最大输入功率是一个双工器所能承受的最大的输入功率，是双工器的一个使用安全性指标双工器的一个使用安全性指标无线机的天线输入阻抗和发射机的输出阻抗均为５０无线机的天线输入阻抗和发射机的输出阻抗均为５０Ω，因而要求双工器的阻抗也应为５０，因而要求双工器的阻抗也应为５０Ω27全面分析 f f 驻波比驻波比电压驻波比：电压驻波比：指驻波波腹电压与波节电压幅度之比，又称为指驻波波腹电压与波节电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比驻波比等于驻波系数、驻波比驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去终端负载阻抗有辐射出去终端负载阻抗ZL 和特性阻抗和特性阻抗Z0 越接近，反射越接近，反射系数系数 R 越小，驻波比越小，驻波比VSWR 越接近于越接近于1，匹配也就好，匹配也就好。
•VSWR = VSWR = （（1+|1+|Γ|Γ|））/ /（（1-|Γ|1-|Γ|）；）； •其中其中Γ= Γ= （（Z-Z0Z-Z0））/ /（（Z+Z0Z+Z0）） •VSWRVSWR：输入输出电压驻波比：输入输出电压驻波比 ΓΓ：：反射系数反射系数 •Z Z：输入或输出端的实际阻抗：输入或输出端的实际阻抗 •Z0 Z0 ：需要的系统阻抗：需要的系统阻抗 , ,一般为一般为50 ohm50 ohm28全面分析 g g 回波损耗回波损耗•回波损耗，又称为反射损耗是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方回波损耗是传输线端口的反射波功率与入射波功率之比，以对数形式来表示，单位是dB： RL=-10 lg [(反射功率)/(入射功率)] =-20lg [(VSWR+1)/(VSWR-1)] 例如，如果注入1mW (0dBm)功率给放大器其中 10%被反射(反弹)回来，回波损耗就是10dB0%反射即没有反射的VSWR为1，对应的RL约为40dB,在实际中是不可能的，所以VSWR要越小接近1越好。
RL在10dB和40dB之间说明功率反射小于10%，RL小于10dB说明功率反射超过了10%.29全面分析 6.微波滤波器双工器厂家微波滤波器双工器厂家Broadcom(Avago),Qorvo(RFMD+Triqunit)Skyworks,Murata,TDK(Epcos)30全面分析 7.双工器Layout注意事项•因为频分复用FDD，TX/RX 会同时运作，所以需要Duplexer 来做Tx/Rx 的隔离，来降低PA 所产生的TX Leakage，对接收端的损害，如下图 :31全面分析 倘若接收讯号被发射讯号干扰，甚至LNA 因强大的发射讯号，而导致饱和的话，那么SensitivityAdjacent Channel SelectivityMax input power levelBlocking都会有所劣化，甚至Fail32全面分析 也因此，Duplexer 三方都要做好隔离，如下图 :而隔离的好坏，取决两个因素 :1. Duplexer 本身的isolation2. Layout关于第一点，当然Duplexer 有许多指标要看，例如Size , Cost , Insertion Loss,VSWR….等。
但Isolation 最是重要，若Isolation 太差，那其 他指标再好都没意义33全面分析 而Layout 的不好，又分走线耦合跟Pin 耦合，以Murata 的SAYRF1G95HQ0F0A来做说明 :由上图可看到，因为Tx Pin 跟Rx Pin 在相反方向，原则上走线耦合的机会不大，比较可能的是ANT 走线耦合Rx 走线 , 以及Tx 走线耦合ANT 走线 :34全面分析 因此走线时，要相互分开，以加强隔离度再来是Pin 耦合，若Duplexer 下方的GND 挖空，那Pin 之间没有护城河保护，就会产生下图的Pin 耦合现象 :35全面分析 因为这些GND Pin 若没接地，基本上就只是金属罢了， Tx Pin / Ant Pin 会以耦合的方式去干扰Rx Pin因此GND Pin 要连起来特别注意的是，不要忽略那句特别注意的是，不要忽略那句 ”多打多打Via”36全面分析 由上图可知，GND Pin 没接地，基本上就只是金属，若没打Via，就算GND Pin连起来，ANT Pin 一样可以透过耦合的方式去干扰Rx Pin，而且GND Via 要打越多越好，因为Via 有等效电阻，Via 打越多，等同于越多电阻并联，而电阻是越并越小，换言之，Via 越多，其阻抗就越低，那么Noise 就越会流到Main GND，而不会去干扰Rx Pin。
37全面分析 所以Duplexer 的Layout 正确方式应该如下图:而且这样的Layout，也可以加强散热，因为Duplexer 的频率响应，是会随温度而有所变动，如果离PA 过近，散热又不好，一旦高温使其频率响应有所偏移，那么很可能主频的功率，会大幅衰减38全面分析 尤其是像FBAR 这种Outband 砍比较深的，更会有这种现象所以Duplexer 的散热，也是很重要的一个考虑39全面分析 另外，以AVAGO 的ACMD-7612 为例，中间的GND Pin 直接连成一片金属而没接地的金属，就是辐射体[2-4]，前述Murata 的Duplexer，其GND Pin 比较小，或许还不是什么有效的辐射体，但AVAGO 这颗，GND Pin 整个连成一片，很可能会变有效的辐射体，因此TX 讯号会先耦合到GND Pin，再辐射到ShieldingCover除非Shielding Cover 跟Shielding Frame 接触很紧密，否则Duplexer GND40全面分析 Pin 辐射出去的能量，会分三部份 :1. 流到Main GND2. 向外辐射出去3. 在Shielding Can 里头反射一旦这些辐射或反射的能量到Transceiver/PA 的电源，那发射端的性能，也会跟着一并劣化。
41全面分析 Thank You !! 42全面分析 。