Wi-Fi和LTE共存：適合于V2V應(yīng)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(yīng)用有關(guān)的可靠性和溫度穩(wěn)定性。

Qorvo 公司Robert Aigner Connie MacKenzieAlex Zajac

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5.9 GHz 專用短程通信（DSRC）頻段上的IEEE802.11p 標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)車輛間（V2V）和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施間（V2X）通信的長遠規(guī)劃目標(biāo)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(yīng)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(yīng)具有低插入損耗，以保證輸出功率和覆蓋范圍。汽車應(yīng)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(yù)期的汽車使用壽命內(nèi)可靠運行，同時適應(yīng)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5.9 GHz 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(shè)備，這些特性也使它們適合用于高級汽車RF 應(yīng)用。

BAW 濾波器一般用在高于1.5 GHz 并且需要高性能的應(yīng)用中，此技術(shù)基本上能夠適應(yīng)高達10 GHz以及更高的工作頻率。

802.11p和歐洲收費系統(tǒng)

5.9 GHz DSRC 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(yán)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）也制定了嚴(yán)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15 MHz 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(yīng)對這些挑戰(zhàn)。基于測試結(jié)構(gòu)得出的仿真結(jié)果確認(rèn)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(yù)估的溫度變化和15 MHz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(yán)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(yīng)隨溫度變化出現(xiàn)的漂移成為了最大阻礙。對于汽車應(yīng)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(yán)重。車輛的駕駛條件多變，有夏季的酷熱，也有冬季的嚴(yán)寒，而濾波器所在的位置常常面臨更大的溫差和熱應(yīng)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(yán)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(yīng)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±2 ppm/℃。

衛(wèi)星無線電和CS頻段

衛(wèi)星無線電是另一個示例，標(biāo)準(zhǔn)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(wù)（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(wù)（WCS）頻譜上工作（見圖2）。SDARS 頻譜每側(cè)只存在一個5 MHz 的保護間隔。為了支持衛(wèi)星廣播服務(wù)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(shè)備上使用。

最大的挑戰(zhàn)在于2.4GHz Wi-Fi 與LTE Band 40/41 之間的共存。Band40 是一種TDD LTE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。LTE Band40 和Wi-Fi 頻道1 之間只有1 MHz 的保護間隔，Wi-Fi 頻道14 和LTE Band41 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。

可靠性

對于用在汽車中的濾波器，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(shè)備要長得多。因此，比起其他商業(yè)應(yīng)用，汽車濾波器應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)包括對高溫和溫度變化條件下的穩(wěn)定性的嚴(yán)格應(yīng)力測試、耐濕性，以及機械應(yīng)力，例如沖擊、振動和板子變形。

總結(jié)

隨著各類無線設(shè)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LowDrift 濾波器）提供溫度穩(wěn)定性、高品質(zhì)因數(shù)和陡峭過渡帶，使得BAW 技術(shù)能夠滿足汽車行業(yè)最嚴(yán)苛的要求。利用BAW 實現(xiàn)良好的性能和可制造性并不容易，這需要擁有高超的流程控制力和獨特的材料科學(xué)知識，汽車應(yīng)用濾波器制造商還應(yīng)展示產(chǎn)品在溫度和環(huán)境壓力條件下經(jīng)過檢驗的可靠性。