【導讀】隨著無線電頻譜變得越來越擁擠，智能認知無線電正在不斷吸引人們的注意力。問題是移動電話制造商不喜歡通過增加新型號的手機來跟上帶寬需求。這種方法的性價比不高。到底隨著5G臨近，智能手機中的射頻濾波器和前端將發(fā)生怎樣的重大變化呢？
在長期演進(LTE)載波聚合(CA)和往后的技術中，通過一根天線支持多頻帶同時工作的需求，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現(xiàn)的。可重構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，智能認知無線電正在不斷吸引人們的注意力。問題是移動電話制造商不喜歡通過增加新型號的手機來跟上帶寬需求。這種方法的性價比不高。
使用即將推出的載波聚合和多入多出(MIMO)設計可以用來滿足臨時的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題，因為它能很好地裝配進體積小、功耗低的手機中。本文將要討論一家名為Resonant的公司在這個領域作出的重大創(chuàng)新。借助擁有的70個專利，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諧振器的不同方法。
Resonant公司的設計師在開發(fā)Band 3雙工器時使用了一種無限綜合網絡(ISN)設計方法，所使用的低成本SAW工藝相當于或是超過了BAW Band 3雙工器(對手機來說這是成本更高的解決方案)的性能。
功放
在今天的射頻設計環(huán)境中，工程師都會設計一個能夠支持多種技術模式(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。每個射頻通路都需要一個濾波器，因此這會給手機增加額外的成本。
無限綜合網絡(ISN)
Resonant公司已經在嘗試整合現(xiàn)代濾波器理論，針對電磁和聲學類型的有限元模型，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了濾波器結構的物理細節(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的濾波器性能。
由于現(xiàn)在可以在計算機上完成優(yōu)化過程，不需要使用代工廠中高成本的多次反復迭代，因此設計師能夠極大地減少開發(fā)時間和復雜性。另外一個附加的好處是，可以在生產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工作時的功耗要比CDMA高)對設計進行優(yōu)化。最終這將提高良率，進而降低生產成本，帶來更快的投資回報(ROI)。
其它架構選擇
可重構無線電
這種無線電架構可以提高頻譜使用效率，并可能降低手機的成本。目前的多標準無線電軟硬件架構不會減少頻譜，而下一代標準的數量肯定還會顯著增加。
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，它對射頻部分的要求更加苛刻，需要更高的動態(tài)范圍，并且需要電源提供高得多的功率。這對筆記本電腦來說沒問題，但對手持設備來說就有問題了。由于高帶寬需求，甚至不可能達到目前手機具有的無線靈敏度。
可重構無線電將能夠選擇多個頻帶。這種解決方案的架構會把可調諧無源濾波器集成進收發(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線電。(a)是直接轉換設計，(b)是射頻帶通采樣架構。
高動態(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(xiàn)在也不需要這么高的動態(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，許多通道可以同時處理。這種在ADC之前使用可調諧抗混疊濾波器的方法是最好的功效選擇，并且在重構無線電時有更多的選擇。
然而這種技術在能夠真正用于未來智能手機之前仍然面臨諸多的挑戰(zhàn)。一個問題是，當使用可重構無線電技術時，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(FCC)需要開發(fā)新的拍賣協(xié)議嗎？另外，除了可調諧天線和濾波器、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？
替代性的射頻接收器設計
在5G萬物網(IoE)時代，蜂窩手機用戶需要在任何時間任何地方獲得信息。對于手持式電池供電設備來說，這將是電池壽命的殺手。
論文“RF receiver design for IoE applications(針對萬物互聯(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)是時域表現(xiàn)。
平移電路最先出現(xiàn)于20世紀40年代，由于射頻設計師需要在LO頻率點產生高Q值的帶通濾波器而得以復興。直到現(xiàn)在，滿足GSM和LTE高性能需求的射頻接收器已經成為這種架構的目標。現(xiàn)在還可以進一步降低功耗，同時保持LTE、LTE-A和最終5G的可接受性能嗎？待定。
