2014 六月

智能手机共存解决方案

协同合作使用共用天线

当今的智能手机必须为用户提供越来越多的连接选项。爱普科斯 (EPCOS) 共存解决方案采用先进技术,适用范围极广,可以确保蜂窝网络服务、GPS和WLAN(无线区网)的同时运行。

对智能手机和RF部件的生产商而言,多个通信服务在小型移动设备上的共存意味着一系列复杂的RF挑战。今天的智能手机通常必须支持很宽频率范围内的一系列蜂窝和无线网络服务。如除了GSM、UMTS或LTE等蜂窝服务,智能手机还必须提供GPS和蓝牙/无线区网连接能力。为了节省空间并提高性能,标准结构提倡Tx(发送)和Rx(接收)都使用蜂窝天线,而单独接收使用分集式天线。如图1所示,典型的分集式天线必须支持GPS、无线区网以及蜂窝频段。

图1:从分集式天线提取GPS和WLAN(无线区网)信号的基本原理

主蜂窝天线用于发送和接收蜂窝信号。除了蜂窝接收信号,蜂窝分集式天线还适用于GPS(接收)和无线区网/蓝牙(发送和接收)。

智能手机中的RF挑战是用户期望的综合:智能手机不仅必须超薄紧凑,这些多频段、多功能设备还要能提供基于RF服务的全部功能。换句话说,用户期望上传一个大文件的同时,还可以通过LTE打电话,并能同时使用GPS进行导航,所有这些都要同时进行,不能有延迟,性能上也不能打折扣。用户的这些期望对智能手机的RF过滤及处理提出了很高的要求,尤其是对于用来从分集式天线提取GPS和WLAN(无线区网)信号的滤波器和模块。
基于支持蜂窝、GPS和WLAN(无线区网)操作所需的频段,RF设计必须解决3个主要的共存挑战(图2):

  • 极相邻通信频段(≤ 20 MHz)的干扰
  • 来自低频段蜂窝发送信号的GPS信号的二次谐波干扰
  • 来自无线区网发送信号的GPS信号的互调制干扰
图2:智能手机中的共存挑战

蜂窝、GPS和无线连接所用频段不同,产生了3个主要的共存问题,是智能手机中RF信号过滤及处理的主要挑战。

共存案例1:极相邻频段

频谱是一个有限的资源。随着通信服务和协议的不断增加,频谱也变得日益密集。特别是WLAN(无线区网)和蓝牙使用的频段是从新频段7以及LTE蜂窝服务使用的频段40和41中分离出来,频率分离间隔不超过20MHz。
在这种情况下,对蜂窝和WLAN(无线)频带的RF滤波器就提出了很高的要求。RF滤波器必须能够阻止无线和高频段蜂窝信号彼此之间的干扰。这就需要RF滤波器选择性高且插入损耗小。高效的RF过滤还会影响智能手机的耗电量。使相邻频段的干扰最小意味着降低传输功率且不影响性能。

共存案例2:可靠的二次谐波过滤

谐波效应是智能手机RF设计的主要挑战。卫星导航系统如GPS、俄罗斯的GLONASS以及中国北斗(也叫指南针),工作频率范围为1561MHz至1605MHz。此外,导航接收器的信号强度很弱。这样,导航信号就很容易受到低频段蜂窝发送信号的二次谐波干扰,该谐波是从主天线耦合到分集式天线。因此,对于使用高线性SAW滤波器的整个GPS接收路径都需要额外的过滤,再加上低噪放大器 (LNA),就可以阻止这些低频段蜂窝信号干扰GPS信号。

共存案例3:互调制影响的可靠过滤

由于分集式天线还可用于发送WLAN无线区网信号,WLAN(无线区网信号和低频段蜂窝信号的频率差就会产生交互调变,从而干扰GPS接收信号。这些非线性影响会严重危害GPS性能,特别是无线发送信号通常都比GPS信号强150dB以上。高效过滤也要求高线性滤波器和放大器。

提取器如何共用天线

在多频段使用单根天线发送和接收信号时,就需要用到所谓的提取器。这些频率复用器将接收信号(如蜂窝、GPS)分离,这样就可以使用不同的接收器接收不同的信号。几年前爱普科斯 (EPCOS) 就已经开始率先研发GPS提取器。比如,GPS提取器结合了GPS带通滤波器和GPS陷波滤波器。带通滤波器只允许GPS频带通过至GPS接收器,而陷波滤波器只允许蜂窝信号通过至蜂窝接收器。图3显示了一个典型的GPS提取器,该提取器有带通滤波器(1575 MHz GPS信号)和陷波滤波器(1575MHz,在蜂窝口阻止GPS信号)。

图3:GPS提取器的基本电路图

GPS提取器利用了一个只允许GPS信号通过至GPS端口的带通滤波器和一个相同频率允许其他所有频率通过至蜂窝端口的陷波滤波器。

使用无线区网带通滤波器取代GPS带通滤波器,可以以类似方式实现WLAN(无线区网)提取器。还可以设计GPS+无线提取器组合至单个复用器,这样就可以同时提取GPS和无线区网信号。图3显示了GPS+无线区网提取器组合,其特性是2个带通滤波器(用于GPS和无线区网频带,频率分别为1575 MHz和2450 MHz)和一个用于2个频带的双陷波滤波器。

图4:GPS+无线区网提取器的基本电路图

GPS+无线提取器利用一个带通滤波器,分别允许GPS和无线区网信号通过至GPS和无线端口。相同频率的双陷波滤波器用来允许其他频率的信号通过至蜂窝接收器。

高性能共存解决方案

TDK公司利用这些信号提取概念建立了一系列创新的共存解决方案,这些方案是专为智能手机使用而设计。我们已将主要产品的案例总结在表中。

2年前发布的爱普科斯 (EPCOS) 首款无线区网/蓝牙BAW滤波器 (B9604) 是领先的滤波器解决方案之一,用于LTE频带7的手机。新型爱普科斯 (EPCOS) LS70滤波器汲取了首款滤波器的成功经验,其滤波性能已经大幅提高。该新型滤波器使用先进的第二代BAW技术 (BAW2),从而获得了更好的Q因数,插入损耗比B9604明显降低,封装尺寸也更小。小型印刷尺寸只有1.1 mm × 0.9 mm,且LS70的1109封装也超薄,高度只有0.4mm。

新的爱普科斯 (EPCOS) R159 GPS/GLONASS前端模块是一个完全集成的前端解决方案,允许蜂窝接收器和GPS接收器共用蜂窝分集式天线。该新模块组合了用于GPS和GLONASS (频率范围为1575 MHz 至1605 MHz,单个封装尺寸为2.5 mm × 2.5 mm × 0.8 mm) 的LNA和低噪SAW GPS/GLONASS提取器。此外,该新模块采用了集成匹配和线性增强电路,无需要其他额外部件。.爱普科斯 (EPCOS) R157 GPS/GLONASS/北斗前端模块(支持GPS、GLONASS和北斗、蜂窝服务以及无线区网)代表了目前最先进的GPS前端解决方案。该模块整合了最新的GPS/GLONASS/北斗声表滤波器,线性增强电路,以及超低噪声系数与低电流的低噪放大器。该小型模块,尺寸仅为 2.5 mm × 2.5 mm × 0.8 mm。R157的模块封装采用金属电镀覆层,可以保护GPS接收路径,阻止杂散信号(通过空中接口接收)干扰GPS接收链。另外,R157完全屏蔽,可以为GPS接收路径提供对热噪级别信号的最佳灵敏度。

爱普科斯 (EPCOS) 无线共存产品

共存案例1,使用专用无线区网天线

解决方案

爱普科斯(EPCOS) LS70 BT/无线区网BAW滤波器

特性

  • 一流的性能和大小
  • 第二代BAW技术 (BAW2),用于改进Q因数
  • 良好的插入损耗及高频带外抑制
  • 小型1109 CSSP® 封装 (1.1 mm × 0.9 mm × 0.4 mm)

共存案例2,使用共用GPS/分集式天线

解决方案

爱普科斯(EPCOS) R159 GPS-GLONASS前端模块

特性

  • 高线性SAW GPS-GLONASS提取器
  • 低噪因数与低电流的低噪放大器,
  • 集成匹配和线性增强电路
  • 小型封装(2.5 mm × 2.5 mm × 0.8 mm)

共存案例2和3,使用专用GPS天线

解决方案

爱普科斯 (EPCOS) R157 GPS-GLONASS-北斗前端模块

特性

  • 高线性SAW GPS带通滤波器
  • 集成匹配和线性增强电路
  • 低噪因数LNA,电源电流低
  • 小型封装(2.5 mm × 2.5 mm × 0.8 mm)
  • 完全屏蔽

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