滤波器双工器简介..
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滤波器双工器
2016-5-31
Huang Bingjun
• • • • • • •
1. 微波滤波器概述 2. 滤波器理论基础 3.不同种类滤波器特点 4.FBAR和其它滤波器的对比 5. 双工器基本原理与相关指标 6.微波滤波器双工器厂家 7.双工器Layout注意事项
1.微波滤波器概述
◆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二端口网络， 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, 使其不 能通过滤波器, 只让需要的信号通过。
2 z( N 1 ) / 2
椭圆函数滤波器: （N=6,ripple=0.5dB）
3.不同种类滤波器特点
◆集总元件或LC滤波器通常工作于频率约3GHz以 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。 ◆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 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 产方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小。陶 瓷滤波器工作频率受限于约6GHz，功率电平受限 于约5W，但非常适合做成要求小尺寸的带通和带阻 滤波器。
6.微波滤波器双工器厂家
Broadcom(Avago), Qorvo(RFMD+Triqunit) Skyworks, Murata, TDK(Epcos)
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 :
2 PLR 1 k 2TN ( / c )
通带内插损和带外抑制(-dB, 图中，k=0.3,1; N=5)
两种响应的比较
PLR 1 k C ( )
2 2 N
椭圆函数型（Elliptic Function ） : ( )( ) (
2 2 z1 2 2 z2 2
◆FBAR由Agilent(Avago前身）在1999年率先研 发出来并在美国PCS频段商用，FBAR具有体积小 、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大 、高Q、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 FBAR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。FBAR的主要应用PCS,CDMA 和W-CDMA，LTE用射频滤波器，FBAR振荡器等 。在手机滤波器，双工器，射频前端及PGS接收前 端模块已大量使用。
◆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 等； ◆对于带通滤波器，其主要性能指标有： a）通带频率；b) 插入损耗； c) 回波损耗； d) 通带波纹; e) 带外抑制； f) 功率容量。
滤波器
端口1 端口2
◆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。
) , N odd C0 2 2 2 2 2 2 ( p1 )( p 2 ) ( p( N 1) / 2 ) 其中椭圆函数：C N ( ) 2 2 2 2 2 2 C ( z1 )( z 2 ) ( z N / 2 ) , N even 2 2 2 2 2 0 ( 2 p 1 )( p 2 ) ( p N / 2 )
◆腔体滤波器可以处理高达约500W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 以高达约30GHz。与LC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 工而成的。 ◆螺旋式滤波器由一系列磁性耦合腔体组成，也属 于LC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LC滤波器具有更陡峭的响应， 但输入功率受限于约5W。
●双工器是由两个滤波器组成的单元,是三端 口网络。超过三端口的多端口网络为多工器 。 滤波器1
端口1 端口2
滤波器2
端口3
●双工器的指标 • a 工作频率及带宽 • b 隔离度 • c 插入损耗 • d 频率稳定度 • e 特性阻抗，最大输入功率 • f 驻波比 • g 回波损耗
a、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 工作频率范围。 通常我们所说的带宽，是指无线电话机配上双工器 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 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
•VSWR = （1+|Γ|）/（1-|Γ|）；
•其中Γ= （Z-Z0）/（Z+Z0）
•VSWR：输入输出电压驻波比 Γ：反射系数
•Z：输入或输出端的实际阻抗 •Z0 ：需要的系统阻抗 ,一般为50 ohm
g 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10dB。0%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%.
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:
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 :
f 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 驻波系数、驻波比。驻波比等于1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 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ZL 和特性阻抗Z0 越接近，反射 系数 R 越小，驻波比VSWR 越接近于1，匹配也就好。
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 GND
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 Sensitivity Adjacent Channel Selectivity Max input power level Blocking 都会有所劣化，甚至Fail。
也因此，Duplexer 三方都要做好隔离，如下图 :
4.FBAR和其它滤波器的对比
5. 双工器基本原理与相关指标
●基本概念
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 能同时正常工作.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 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 防指发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接 收频率。
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，会大幅衰源自文库。
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
d、频率稳定度 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； 二是其温度稳定性。
e、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 双工器的一个使用安全性指标。 无线电话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５０Ω。
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 ”多打Via”
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。
◆SAW、BAW和FBAR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MEMS滤 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2x2mm，虽然在电源处理能力方面有所 限制。SAW、BAW和FBAR滤波器通常用于蜂窝通 信手机，工作频率最高约为3GHz。MEMS滤波器 的工作频率有可能做到18GHz以上。 ◆fbar滤波器是 film bulk acoustic resonator滤波 器的简称，译为薄膜腔声谐振滤波器，基本结构：
b、隔离度 隔离度 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 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。 c、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 有用信号的损耗。可用公式：１０ＬｇＰｉ/Ｐｏ或 ２０ＬｇＵｉ/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 工器出来的信号功率或电平。
◆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；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； ◆按材料分：基于分立电感(L)和电容(C)的集总元 件滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、腔体滤波器 、声表面波(SAW)滤波器、体声波(BAW)滤波器、 薄膜体声波谐振(FBAR)滤波器、微机电系统 (MEMS)滤波器甚至有源的半导体可调滤波器。
而隔离的好坏，取决两个因素 : 1. Duplexer 本身的isolation 2. 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。
同轴腔体滤波器
梳妆线滤波器
波导滤波器
介质滤波器
2.滤波器理论基础
最平坦型（Butterworth）:
Pinc 2 2N PLR 1 k ( ) Pload c
10 * log( PLR )
通带内插损和带外抑制(-dB, 图中，k=0.3,1;N=5)
等波纹型（Chebyshev）
2016-5-31
Huang Bingjun
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1. 微波滤波器概述 2. 滤波器理论基础 3.不同种类滤波器特点 4.FBAR和其它滤波器的对比 5. 双工器基本原理与相关指标 6.微波滤波器双工器厂家 7.双工器Layout注意事项
1.微波滤波器概述
◆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二端口网络， 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, 使其不 能通过滤波器, 只让需要的信号通过。
2 z( N 1 ) / 2
椭圆函数滤波器: （N=6,ripple=0.5dB）
3.不同种类滤波器特点
◆集总元件或LC滤波器通常工作于频率约3GHz以 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。 ◆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 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 产方法可以使成本做得很低，也能把尺寸做小。陶 瓷滤波器工作频率受限于约6GHz，功率电平受限 于约5W，但非常适合做成要求小尺寸的带通和带阻 滤波器。
6.微波滤波器双工器厂家
Broadcom(Avago), Qorvo(RFMD+Triqunit) Skyworks, Murata, TDK(Epcos)
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 :
2 PLR 1 k 2TN ( / c )
通带内插损和带外抑制(-dB, 图中，k=0.3,1; N=5)
两种响应的比较
PLR 1 k C ( )
2 2 N
椭圆函数型（Elliptic Function ） : ( )( ) (
2 2 z1 2 2 z2 2
◆FBAR由Agilent(Avago前身）在1999年率先研 发出来并在美国PCS频段商用，FBAR具有体积小 、工作频率高、效率高、插入损耗低、带外抑制大 、高Q、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 FBAR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。FBAR的主要应用PCS,CDMA 和W-CDMA，LTE用射频滤波器，FBAR振荡器等 。在手机滤波器，双工器，射频前端及PGS接收前 端模块已大量使用。
◆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 等； ◆对于带通滤波器，其主要性能指标有： a）通带频率；b) 插入损耗； c) 回波损耗； d) 通带波纹; e) 带外抑制； f) 功率容量。
滤波器
端口1 端口2
◆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。
) , N odd C0 2 2 2 2 2 2 ( p1 )( p 2 ) ( p( N 1) / 2 ) 其中椭圆函数：C N ( ) 2 2 2 2 2 2 C ( z1 )( z 2 ) ( z N / 2 ) , N even 2 2 2 2 2 0 ( 2 p 1 )( p 2 ) ( p N / 2 )
◆腔体滤波器可以处理高达约500W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 以高达约30GHz。与LC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 工而成的。 ◆螺旋式滤波器由一系列磁性耦合腔体组成，也属 于LC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LC滤波器具有更陡峭的响应， 但输入功率受限于约5W。
●双工器是由两个滤波器组成的单元,是三端 口网络。超过三端口的多端口网络为多工器 。 滤波器1
端口1 端口2
滤波器2
端口3
●双工器的指标 • a 工作频率及带宽 • b 隔离度 • c 插入损耗 • d 频率稳定度 • e 特性阻抗，最大输入功率 • f 驻波比 • g 回波损耗
a、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 工作频率范围。 通常我们所说的带宽，是指无线电话机配上双工器 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 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
•VSWR = （1+|Γ|）/（1-|Γ|）；
•其中Γ= （Z-Z0）/（Z+Z0）
•VSWR：输入输出电压驻波比 Γ：反射系数
•Z：输入或输出端的实际阻抗 •Z0 ：需要的系统阻抗 ,一般为50 ohm
g 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10dB。0%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%.
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:
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 :
f 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 驻波系数、驻波比。驻波比等于1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 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ZL 和特性阻抗Z0 越接近，反射 系数 R 越小，驻波比VSWR 越接近于1，匹配也就好。
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 GND
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 Sensitivity Adjacent Channel Selectivity Max input power level Blocking 都会有所劣化，甚至Fail。
也因此，Duplexer 三方都要做好隔离，如下图 :
4.FBAR和其它滤波器的对比
5. 双工器基本原理与相关指标
●基本概念
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 能同时正常工作.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 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 防指发射功率串入接收机，发射端滤波器谐振于接 收频率。
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，会大幅衰源自文库。
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
d、频率稳定度 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； 二是其温度稳定性。
e、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 双工器的一个使用安全性指标。 无线电话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５０Ω。
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 ”多打Via”
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。
◆SAW、BAW和FBAR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MEMS滤 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2x2mm，虽然在电源处理能力方面有所 限制。SAW、BAW和FBAR滤波器通常用于蜂窝通 信手机，工作频率最高约为3GHz。MEMS滤波器 的工作频率有可能做到18GHz以上。 ◆fbar滤波器是 film bulk acoustic resonator滤波 器的简称，译为薄膜腔声谐振滤波器，基本结构：
b、隔离度 隔离度 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 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。 c、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 有用信号的损耗。可用公式：１０ＬｇＰｉ/Ｐｏ或 ２０ＬｇＵｉ/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 工器出来的信号功率或电平。
◆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；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； ◆按材料分：基于分立电感(L)和电容(C)的集总元 件滤波器、晶体滤波器、陶瓷滤波器、腔体滤波器 、声表面波(SAW)滤波器、体声波(BAW)滤波器、 薄膜体声波谐振(FBAR)滤波器、微机电系统 (MEMS)滤波器甚至有源的半导体可调滤波器。
而隔离的好坏，取决两个因素 : 1. Duplexer 本身的isolation 2. 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。
同轴腔体滤波器
梳妆线滤波器
波导滤波器
介质滤波器
2.滤波器理论基础
最平坦型（Butterworth）:
Pinc 2 2N PLR 1 k ( ) Pload c
10 * log( PLR )
通带内插损和带外抑制(-dB, 图中，k=0.3,1;N=5)
等波纹型（Chebyshev）