濾波器雙工器簡介

1、濾波器雙工器濾波器雙工器2016-5-31Huang Bingjun 1. 微波濾波器概述微波濾波器概述 2. 濾波器理論基礎(chǔ)濾波器理論基礎(chǔ) 3.不同種類濾波器特點(diǎn)不同種類濾波器特點(diǎn) 4.FBAR和其它濾波器的對(duì)比和其它濾波器的對(duì)比 5. 雙工器基本原理與相關(guān)指標(biāo)雙工器基本原理與相關(guān)指標(biāo) 6.微波濾微波濾波器波器雙工器廠家雙工器廠家 7.雙工器雙工器Layout注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)1.微波濾波器概述微波濾波器概述微波濾波器是微波系統(tǒng)中重要元件之一，微波濾波器是微波系統(tǒng)中重要元件之一，它是一種對(duì)頻率具有選擇性的它是一種對(duì)頻率具有選擇性的二端口二端口網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)，用來分離或者組合各種不同頻率信號(hào)的重要用

2、來分離或者組合各種不同頻率信號(hào)的重要元件。主要作用是抑制不需要的信號(hào)元件。主要作用是抑制不需要的信號(hào), 使其不使其不能通過濾波器能通過濾波器, 只讓需要的信號(hào)通過。只讓需要的信號(hào)通過。微波濾波器的分類方法很多，根據(jù)通頻帶的不同微波濾波器的分類方法很多，根據(jù)通頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型；型和等波紋型；按材料分：按材料分：基于分立電感基于分立電感(L)和電容和電容(C)的集總元的集總元件濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、腔體濾波器

3、件濾波器、晶體濾波器、陶瓷濾波器、腔體濾波器、聲表面波、聲表面波(SAW)濾波器、體聲波濾波器、體聲波(BAW)濾波器、濾波器、薄膜體聲波諧振薄膜體聲波諧振(FBAR)濾波器、微機(jī)電系統(tǒng)濾波器、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)濾波器甚至有源的半導(dǎo)體可調(diào)濾波器濾波器甚至有源的半導(dǎo)體可調(diào)濾波器。從功能方面，濾波器一般分為：低通濾波器、帶從功能方面，濾波器一般分為：低通濾波器、帶通濾波器、高通濾波器、帶阻濾波器、延時(shí)濾波器通濾波器、高通濾波器、帶阻濾波器、延時(shí)濾波器等；等；對(duì)于帶通濾波器，其主要性能指標(biāo)有：對(duì)于帶通濾波器，其主要性能指標(biāo)有：a）通帶頻率；）通帶頻率；b) 插入損耗；插入損耗； c) 回波損耗；

4、回波損耗；d) 通帶波紋通帶波紋; e) 帶外抑制；帶外抑制； f) 功率容量。功率容量。濾波器濾波器端口端口1端口端口2從實(shí)現(xiàn)形式，微波濾波器主要有：微帶濾從實(shí)現(xiàn)形式，微波濾波器主要有：微帶濾波器，波導(dǎo)腔體濾波器、介質(zhì)濾波器等。波器，波導(dǎo)腔體濾波器、介質(zhì)濾波器等。同軸腔體濾波器同軸腔體濾波器梳妝線濾波器梳妝線濾波器波導(dǎo)濾波器波導(dǎo)濾波器介質(zhì)濾波器介質(zhì)濾波器2.濾波器理論基礎(chǔ)濾波器理論基礎(chǔ)NcloadincLRkPPP22)(1最平坦型（最平坦型（Butterworth）:通帶內(nèi)插損和帶外抑制通帶內(nèi)插損和帶外抑制(-dB, 圖中，圖中，k=0.3,1;N=5)log(*10LRP等波紋型（等波紋

5、型（Chebyshev）)/(122cNLRTkP通帶內(nèi)插損和帶外抑制通帶內(nèi)插損和帶外抑制(-dB, 圖中，圖中，k=0.3,1; N=5)兩種響應(yīng)的比較兩種響應(yīng)的比較橢圓函數(shù)型（橢圓函數(shù)型（Elliptic Function）:evenNCoddNCCNNNNpppzzzpppzzzN,)()()()(,)()()()()(22222212222222120222222122222221202/2/2/ )1(2/ )1(其中橢圓函數(shù)：)(122NLRCkP橢圓函數(shù)濾波器橢圓函數(shù)濾波器:（N=6,ripple=0.5dB）3.不同種類濾波器特點(diǎn)不同種類濾波器特點(diǎn)集總元件或集總元件或LC濾波器

6、通常工作于頻率約濾波器通常工作于頻率約3GHz以以下的應(yīng)用。這些濾波器的尺寸取決于工作頻率和下的應(yīng)用。這些濾波器的尺寸取決于工作頻率和LC元件的尺寸。元件的尺寸。陶瓷濾波器是在很薄的陶瓷基板上制造的，使用陶瓷濾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組成諧振電路。根據(jù)陶瓷基板分立型或集成式元件組成諧振電路。根據(jù)陶瓷基板的介電常數(shù)。陶瓷濾波器可以做得特別小，介電常的介電常數(shù)。陶瓷濾波器可以做得特別小，介電常數(shù)越高的材料可以做出越小的濾波器。使用批量生數(shù)越高的材料可以做出越小的濾波器。使用批量生產(chǎn)方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小。產(chǎn)方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小。陶陶瓷

7、濾波器工作頻率受限于約瓷濾波器工作頻率受限于約6GHz，功率電平受限，功率電平受限于約于約5W，但非常適合做成要求小尺寸的帶通和帶阻，但非常適合做成要求小尺寸的帶通和帶阻濾波器。濾波器。腔體濾波器可以處理高達(dá)約腔體濾波器可以處理高達(dá)約500W的功率電平，的功率電平，并具有突出的插損性能。腔體濾波器的工作頻率可并具有突出的插損性能。腔體濾波器的工作頻率可以高達(dá)約以高達(dá)約30GHz。與。與LC和陶瓷濾波器相比，它們的和陶瓷濾波器相比，它們的體積較大，價(jià)格也較貴，因?yàn)樗鼈円话闶菑匿X塊加體積較大，價(jià)格也較貴，因?yàn)樗鼈円话闶菑匿X塊加工而成的工而成的。螺旋式濾波器由一系列磁性耦合腔體組成，也屬螺旋式濾波器

8、由一系列磁性耦合腔體組成，也屬于于LC濾波器，同樣受限于僅通帶格式下的約濾波器，同樣受限于僅通帶格式下的約3GHz頻率。雖然比傳統(tǒng)的頻率。雖然比傳統(tǒng)的LC濾波器具有更陡峭的響應(yīng)，濾波器具有更陡峭的響應(yīng)，但輸入功率受限于約但輸入功率受限于約5W。SAW、BAW和和FBAR濾波器采用半導(dǎo)體制造技術(shù)濾波器采用半導(dǎo)體制造技術(shù)制造，使用光蝕刻工藝產(chǎn)生精細(xì)圖案，而制造，使用光蝕刻工藝產(chǎn)生精細(xì)圖案，而MEMS濾濾波器采用這些工藝形成三維結(jié)構(gòu)。所有這些濾波器波器采用這些工藝形成三維結(jié)構(gòu)。所有這些濾波器都可以小至都可以小至2x2mm，雖然在電源處理能力方面有所，雖然在電源處理能力方面有所限制。限制。SAW、BA

9、W和和FBAR濾波器通常用于蜂窩通濾波器通常用于蜂窩通信手機(jī)，工作頻率最高約為信手機(jī)，工作頻率最高約為3GHz。MEMS濾波器濾波器的工作頻率有可能做到的工作頻率有可能做到18GHz以上以上。fbar濾波器是濾波器是 film bulk acoustic resonator濾波濾波器的簡稱，譯為薄膜腔聲諧振濾波器，基本結(jié)構(gòu)器的簡稱，譯為薄膜腔聲諧振濾波器，基本結(jié)構(gòu)：FBAR由由Agilent(Avago前身）前身）在在1999年率先研年率先研發(fā)出來并在美國發(fā)出來并在美國PCS頻段商用，頻段商用，F(xiàn)BAR具有體積小具有體積小、工作頻率高、效率高、插入損耗低、帶外抑制大、工作頻率高、效率高、插入損

10、耗低、帶外抑制大、高、高Q、大功率容量、低溫度系數(shù)以及良好的抗靜、大功率容量、低溫度系數(shù)以及良好的抗靜電沖擊能力和半導(dǎo)體工藝兼容性等優(yōu)點(diǎn)。利用電沖擊能力和半導(dǎo)體工藝兼容性等優(yōu)點(diǎn)。利用FBAR技術(shù)可以制作濾波器、振蕩器、雙工器等多技術(shù)可以制作濾波器、振蕩器、雙工器等多種高性能頻率器件。種高性能頻率器件。FBAR的主要應(yīng)用的主要應(yīng)用PCS,CDMA和和W-CDMA，LTE用射頻濾波器，用射頻濾波器，F(xiàn)BAR振蕩器等振蕩器等。在手機(jī)濾波器，雙工器，射頻前端及。在手機(jī)濾波器，雙工器，射頻前端及PGS接收前接收前端模塊已大量使用。端模塊已大量使用。4.FBAR和其它濾波器的對(duì)比和其它濾波器的對(duì)比5. 雙

11、工器基本原理與相關(guān)指標(biāo)雙工器基本原理與相關(guān)指標(biāo)基本概念基本概念 雙工器是異頻雙工電臺(tái)，中繼臺(tái)的主要配件，其作雙工器是異頻雙工電臺(tái)，中繼臺(tái)的主要配件，其作用是將發(fā)射和接收訊號(hào)相隔離，保證接收和發(fā)射都用是將發(fā)射和接收訊號(hào)相隔離，保證接收和發(fā)射都能同時(shí)正常工作能同時(shí)正常工作.它是由兩組不同頻率的阻帶濾波器它是由兩組不同頻率的阻帶濾波器組成，避免本機(jī)發(fā)射信號(hào)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。一般雙工組成，避免本機(jī)發(fā)射信號(hào)傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。一般雙工器由六個(gè)阻帶濾波器（陷波器）組成，各諧振于發(fā)器由六個(gè)阻帶濾波器（陷波器）組成，各諧振于發(fā)射和接收頻率。接收端濾波器諧振于發(fā)射頻率，并射和接收頻率。接收端濾波器諧振于發(fā)射頻率，并防指發(fā)

12、射功率串入接收機(jī)，發(fā)射端濾波器諧振于接防指發(fā)射功率串入接收機(jī)，發(fā)射端濾波器諧振于接收頻率。收頻率。雙工器是由兩個(gè)濾波器組成的單元雙工器是由兩個(gè)濾波器組成的單元,是三端是三端口網(wǎng)絡(luò)。超過三端口的多端口網(wǎng)絡(luò)為多工器口網(wǎng)絡(luò)。超過三端口的多端口網(wǎng)絡(luò)為多工器。濾波器濾波器1端口端口1端口端口2濾波器濾波器2端口端口3雙工器的指標(biāo)雙工器的指標(biāo) a 工作頻率及帶寬工作頻率及帶寬 b 隔離度隔離度 c 插入損耗插入損耗 d 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 e e 特性阻抗，最大輸入功率特性阻抗，最大輸入功率 f 駐波比駐波比 g 回波損耗回波損耗a、工作頻率及帶寬、工作頻率及帶寬雙工器的工作頻率范圍應(yīng)當(dāng)不窄于應(yīng)用對(duì)象本

13、身的雙工器的工作頻率范圍應(yīng)當(dāng)不窄于應(yīng)用對(duì)象本身的工作頻率范圍。工作頻率范圍。通常我們所說的帶寬，是指無線電話機(jī)配上雙工器通常我們所說的帶寬，是指無線電話機(jī)配上雙工器后接收機(jī)的輸入帶寬和發(fā)射機(jī)的輸出帶寬。后接收機(jī)的輸入帶寬和發(fā)射機(jī)的輸出帶寬。對(duì)于雙工器來講，即是兩個(gè)等效帶阻濾波器的阻帶對(duì)于雙工器來講，即是兩個(gè)等效帶阻濾波器的阻帶帶寬，而不是取決于通帶帶寬。從其頻率響應(yīng)曲線帶寬，而不是取決于通帶帶寬。從其頻率響應(yīng)曲線上看，即是兩個(gè)阻帶在一定衰減量時(shí)的頻率范圍上看，即是兩個(gè)阻帶在一定衰減量時(shí)的頻率范圍b、隔離度、隔離度隔離度隔離度 雙工器的隔離度是指兩個(gè)等效帶阻濾波器的雙工器的隔離度是指兩個(gè)等效帶阻

14、濾波器的阻帶衰減量，除一些特定的場合外，一般雙工器的阻帶衰減量，除一些特定的場合外，一般雙工器的接收通道和發(fā)射通道中的阻帶的衰減量，也即雙工接收通道和發(fā)射通道中的阻帶的衰減量，也即雙工器的接收端和發(fā)射端至天線端的隔離度相當(dāng)?shù)钠鞯慕邮斩撕桶l(fā)射端至天線端的隔離度相當(dāng)?shù)摹?c c、插入損耗、插入損耗雙工器的插入損耗是指對(duì)應(yīng)于通道中，通帶頻點(diǎn)對(duì)雙工器的插入損耗是指對(duì)應(yīng)于通道中，通帶頻點(diǎn)對(duì)有用信號(hào)的損耗?？捎霉剑河杏眯盘?hào)的損耗。可用公式：/或或/來表示。其中、表示進(jìn)來表示。其中、表示進(jìn)入雙工器的信號(hào)功率或電平；、表示從雙入雙工器的信號(hào)功率或電平；、表示從雙工器出來的信號(hào)功率或電平。工器出來的信號(hào)功率或

15、電平。d、頻率穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度雙工器的頻率穩(wěn)定度應(yīng)包括兩個(gè)含義：雙工器的頻率穩(wěn)定度應(yīng)包括兩個(gè)含義：一是本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其分布參數(shù)具有一定的穩(wěn)定度；一是本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使其分布參數(shù)具有一定的穩(wěn)定度；二是其溫度穩(wěn)定性。二是其溫度穩(wěn)定性。e e、特性阻抗、最大輸入功率、特性阻抗、最大輸入功率最大輸入功率是一個(gè)雙工器所能承受的最大的輸入功率，是最大輸入功率是一個(gè)雙工器所能承受的最大的輸入功率，是雙工器的一個(gè)使用安全性指標(biāo)。雙工器的一個(gè)使用安全性指標(biāo)。無線電話機(jī)的天線輸入阻抗和發(fā)射機(jī)的輸出阻抗均為無線電話機(jī)的天線輸入阻抗和發(fā)射機(jī)的輸出阻抗均為，因而要求雙工器的阻抗也應(yīng)為，因而要求雙工器的阻抗也應(yīng)

16、為。 f f 駐波比駐波比電壓駐波比：指駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比，又稱為電壓駐波比：指駐波波腹電壓與波節(jié)電壓幅度之比，又稱為駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于駐波系數(shù)、駐波比。駐波比等于1時(shí)，表示饋線和天線的阻時(shí)，表示饋線和天線的阻抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量抗完全匹配，此時(shí)高頻能量全部被天線輻射出去，沒有能量的反射損耗；駐波比為無窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒的反射損耗；駐波比為無窮大時(shí)，表示全反射，能量完全沒有輻射出去。終端負(fù)載阻抗有輻射出去。終端負(fù)載阻抗ZL 和特性阻抗和特性阻抗Z0 越接近，反射越接近，反射系數(shù)系數(shù) R 越小，駐波比越小，駐波比VSWR 越接近于

17、越接近于1，匹配也就好，匹配也就好。VSWR = VSWR = （1+|1+|）/ /（1-|1-|）；）； 其中其中= = （Z-Z0Z-Z0）/ /（Z+Z0Z+Z0） VSWRVSWR：輸入輸出電壓駐波比：輸入輸出電壓駐波比 ：反射系數(shù)反射系數(shù) Z Z：輸入或輸出端的實(shí)際阻抗：輸入或輸出端的實(shí)際阻抗 Z0 Z0 ：需要的系統(tǒng)阻抗：需要的系統(tǒng)阻抗 , ,一般為一般為50 ohm50 ohmg g 回波損耗回波損耗 回波損耗，又稱為反射損耗。是電纜鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，是一對(duì)線自身的反射。不匹配主要發(fā)生在連接器的地方，但也可能發(fā)生于電纜中特性阻抗發(fā)生變化的地方?；夭〒p耗是傳輸線端口

18、的反射波功率與入射波功率之比，以對(duì)數(shù)形式來表示，單位是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)功率給放大器其中 10%被反射(反彈)回來，回波損耗就是10dB。0%反射即沒有反射的VSWR為1，對(duì)應(yīng)的RL約為40dB,在實(shí)際中是不可能的，所以VSWR要越小接近1越好。RL在10dB和40dB之間說明功率反射小于10%，RL小于10dB說明功率反射超過了10%.6.微波濾波器雙工器廠家微波濾波器雙工器廠家Broadcom(Avago),Qorvo(RFMD+Triqunit)Skyworks,Mu

19、rata,TDK(Epcos)7.雙工器Layout注意事項(xiàng) 因?yàn)轭l分復(fù)用FDD，TX/RX 會(huì)同時(shí)運(yùn)作，所以需要Duplexer 來做Tx/Rx 的隔離，來降低PA 所產(chǎn)生的TX Leakage，對(duì)接收端的損害，如下圖 :倘若接收訊號(hào)被發(fā)射訊號(hào)干擾，甚至LNA 因強(qiáng)大的發(fā)射訊號(hào)，而導(dǎo)致飽和的話，那么SensitivityAdjacent Channel SelectivityMax input power levelBlocking都會(huì)有所劣化，甚至Fail。也因此，Duplexer 三方都要做好隔離，如下圖 :而隔離的好壞，取決兩個(gè)因素 :1. Duplexer 本身的isolation2

20、. Layout關(guān)于第一點(diǎn)，當(dāng)然Duplexer 有許多指標(biāo)要看，例如Size , Cost , Insertion Loss,VSWR.等。但I(xiàn)solation 最是重要，若Isolation 太差，那其 他指標(biāo)再好都沒意義。而Layout 的不好，又分走線耦合跟Pin 耦合，以Murata 的SAYRF1G95HQ0F0A來做說明 :由上圖可看到，因?yàn)門x Pin 跟Rx Pin 在相反方向，原則上走線耦合的機(jī)會(huì)不大，比較可能的是ANT 走線耦合Rx 走線 , 以及Tx 走線耦合ANT 走線 :因此走線時(shí)，要相互分開，以加強(qiáng)隔離度再來是Pin 耦合，若Duplexer 下方的GND 挖空，

21、那Pin 之間沒有護(hù)城河保護(hù)，就會(huì)產(chǎn)生下圖的Pin 耦合現(xiàn)象 :因?yàn)檫@些GND Pin 若沒接地，基本上就只是金屬罷了， Tx Pin / Ant Pin 會(huì)以耦合的方式去干擾Rx Pin。因此GND Pin 要連起來特別注意的是，不要忽略那句特別注意的是，不要忽略那句 ”多打多打Via”由上圖可知，GND Pin 沒接地，基本上就只是金屬，若沒打Via，就算GND Pin連起來，ANT Pin 一樣可以透過耦合的方式去干擾Rx Pin，而且GND Via 要打越多越好，因?yàn)閂ia 有等效電阻，Via 打越多，等同于越多電阻并聯(lián)，而電阻是越并越小，換言之，Via 越多，其阻抗就越低，那么Noise 就越會(huì)流到Main GND，而不會(huì)去干擾Rx