適合于V2V應用的先進RF濾波器

適合于V2V應用的先進RF濾波器本文將探討有體聲波（BAW）濾波器技術(shù)的3個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：DSRC頻段中的802.11p、LTE與Wi-Fi共存和衛(wèi)星無線電，還會討論與汽車應用有關(guān)的可靠性和溫度穩(wěn)定性。Qorvo公司RobertAignerConnieMacKenzieAlexZajac隨著數(shù)字化功能的增多，汽車會更多地依賴無線技術(shù)與外界保持通信。目前，許多車輛都支持LTE數(shù)據(jù)連接作為小型Wi-Fi熱點。未來幾年，利用5.9GHz專用短程通信（DSRC）頻段上的IEEE802.11p標準，有關(guān)車輛間（V2V）和車輛與基礎設施間（V2X）通信的長遠規(guī)劃目標都將成為現(xiàn)實。BAW濾波器的出現(xiàn)互聯(lián)汽車不斷發(fā)展，汽車將越來越多地使用與其他用途頻段更為接近的更高的RF頻段，而這些頻段之間的干擾將成為一個重要問題。如要避免在這些情況下產(chǎn)生干擾，高性能RF帶通濾波器就應具備高頻能力。這些濾波器須提供陡峭的過渡帶，防止信號干擾相鄰頻段，且通帶應具有低插入損耗，以保證輸出功率和覆蓋范圍。汽車應用中使用的濾波器也必須能夠在惡劣環(huán)境條件下運行，在預期的汽車使用壽命內(nèi)可靠運行，同時適應極端溫度和濕度。特別是DSRC也帶來了挑戰(zhàn)，要在遠高于傳統(tǒng)手機頻段的頻率下提供這樣的性能。BAW濾波器具備所有這些特性，能夠提供5.9GHz頻段所需的所有功能。BAW濾波器屬于聲波濾聲器，基于大量沉積層構(gòu)成，包括薄膜壓電層和板形電極。聲波垂直穿過這些沉積層，層厚決定諧振頻率，即：層厚越薄，頻率越高。BAW濾波器提供陡峭過渡帶，其高品質(zhì)因數(shù)（Q）高達3000，尺寸遠小于傳統(tǒng)陶瓷和介質(zhì)濾波器。BAW濾波器選擇性精度高，尺寸小巧，被廣泛用于多種移動設備，這些特性也使它們適合用于高級汽車RF應用。BAW濾波器一般用在高于1.5GHz并且需要高性能的應用中，此技術(shù)基本上能夠適應高達10GHz以及更高的工作頻率。802.11p和歐洲收費系統(tǒng)5.9GHzDSRC頻段就是頻段推動先進RF濾波器技術(shù)極限的最佳示例，其頻率高于現(xiàn)有手機頻段的頻率,所需的過渡帶陡峭度也非常嚴格。在這種頻率下，傳輸鏈所有部件的損耗都將非常高，且鏈路預算將取決于濾波器防止與其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的能力。對于此頻段下運行的802.11p系統(tǒng)，一個重要的問題是如何與歐洲電子收費系統(tǒng)共存。在許多歐洲國家，這些收費系統(tǒng)都在5795～5815MHz頻段工作，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）也制定了嚴格的帶外雜散要求。截至目前，尚未出現(xiàn)支持802.11p系統(tǒng)滿足ETSI要求的可行且經(jīng)濟的解決方案。如圖1所示，解決方案必須能夠在整個DSRC頻段內(nèi)提供低插入損耗，具備極為陡峭的過渡帶，以避免與收費系統(tǒng)使用的頻譜（僅有15MHz的保護間隔）產(chǎn)生干擾。如果不具備高品質(zhì)因數(shù)（Q>1000），則濾波器無法應對這些挑戰(zhàn)?；跍y試結(jié)構(gòu)得出的仿真結(jié)果確認BAW濾波器能夠超越這些需求，并且在這個頻段具備高于0.15%的頻率誤差。

圖1、仿真顯示支持802.11p的BAW濾波器性能可以避免與歐洲電子收費系統(tǒng)的干擾帶通仿真預估的溫度變化和15MHz保護頻段頻率在較大的溫度范圍內(nèi)，汽車濾波器必須滿足這些嚴格的要求，以及避免相鄰頻段之間的干擾時，溫度漂移濾波器頻率響應隨溫度變化出現(xiàn)的漂移成為了最大阻礙。對于汽車應用，由于其規(guī)定的運行溫度范圍為-40～105℃，所以漂移問題尤其嚴重。車輛的駕駛條件多變，有夏季的酷熱，也有冬季的嚴寒，而濾波器所在的位置常常面臨更大的溫差和熱應力，例如車頂天線或發(fā)動機艙。相比其他濾聲器，BAW濾波器本身對溫度變化的敏感度較低，但即使如此，采用傳統(tǒng)BAW制造流程也可能無法達到歐洲對DSRC系統(tǒng)的嚴格要求。要解決這個問題，就需要更加先進的流程，制造出能夠更穩(wěn)定響應溫度變化的濾波器。濾波器材料一般會隨溫度升高而軟化，這種情況造成了溫度漂移，可通過添加二氧化硅（SiO2）來抵消這種影響，因為這種材料會隨溫度上升而變硬，而且這種溫度補償可將溫度漂移量降低至接近零，使BAW濾波器的頻率溫度系數(shù)（TCF）保持在0±2ppm/℃。衛(wèi)星無線電和CS頻段衛(wèi)星無線電是另一個示例，標準的BAW濾波器已經(jīng)無法滿足要求，需要溫度補償型BAW濾波器。圖2、衛(wèi)星廣播/LTE30頻段共存的挑戰(zhàn)衛(wèi)星數(shù)字廣播音頻服務（SDARS）頻段位于FDDLTEBand30的上行鏈路和下行鏈路頻段之間，在無線通信服務（WCS）頻譜上工作（見圖2）。SDARS頻譜每側(cè)只存在一個5MHz的保護間隔。為了支持衛(wèi)星廣播服務的運行，同時避免相鄰的WCS頻段相互干擾，需要使用一個TCF接近零的全溫度補償型BAW濾波器，且要內(nèi)嵌在汽車天線之中。Wi-Fi和LTE共存Wi-Fi和LTE通信在汽車中通常必須共存，因此要求兩者能在不干擾的情況下同時運行。許多車型目前都被用作Wi-Fi熱點，通過LTE數(shù)據(jù)連接，與外界進行數(shù)據(jù)交換，駕乘者也可能同時在其移動設備上使用。最大的挑戰(zhàn)在于2.4GHzWi-Fi與LTEBand40/41之間的共存。Band40是一種TDDLTE頻段，在中國境內(nèi)使用，Band41則在中國和美國境內(nèi)使用，而Band7主要在歐洲使用，也接近Wi-Fi頻譜。LTEBand40和Wi-Fi頻道1之間只有1MHz的保護間隔，Wi-Fi頻道14和LTEBand41之間也是如此。使用溫度穩(wěn)定型BAW濾波器，只需犧牲極小帶寬即可實現(xiàn)Wi-Fi與兩種頻段的共存?？煽啃詫τ谟迷谄囍械臑V波器，可靠性是一個重要問題，因為汽車的使用壽命比其他移動設備要長得多。因此，比起其他商業(yè)應用，汽車濾波器應接受更廣泛的測試和審核。美國汽車電子協(xié)會針對無源器件（例如濾波器）的AEC-Q200質(zhì)量標準包括對高溫和溫度變化條件下的穩(wěn)定性的嚴格應力測試、耐濕性，以及機械應力，例如沖擊、振動和板子變形。總結(jié)隨著各類無線設備激增，更多無線頻段分配到更高頻率，以及全球頻譜管理仍然維持碎片化流程，RF干擾抑制將變得更加具有挑戰(zhàn)性。溫度補償型BAW濾波器（例如Qorvo的NoDrift和L