适合于V2V应用的先进RF滤波器

2017-09-13 来源:Qorvo半导体 我要评论(0) 字号:

本文将探讨有体声波(BAW)滤波器技术的3 个关键挑战:DSRC 频段中的802.11p、LTE与Wi-Fi 共存和卫星无线电,还会讨论与汽车应用有关的可靠性和温度稳定性。

Qorvo 公司Robert Aigner Connie MacKenzieAlex Zajac

随着数字化功能的增多,汽车会更多地依赖无线技术与外界保持通信。目前,许多车辆都支持LTE 数据连接作为小型Wi-Fi 热点。未来几年,利用5.9 GHz 专用短程通信(DSRC)频段上的IEEE802.11p 标准,有关车辆间(V2V)和车辆与基础设施间(V2X)通信的长远规划目标都将成为现实。

BAW 滤波器的出现

互联汽车不断发展,汽车将越来越多地使用与其他用途频段更为接近的更高的RF 频段,而这些频段之间的干扰将成为一个重要问题。如要避免在这些情况下产生干扰,高性能RF 带通滤波器就应具备高频能力。这些滤波器须提供陡峭的过渡带,防止信号干扰相邻频段,且通带应具有低插入损耗,以保证输出功率和覆盖范围。汽车应用中使用的滤波器也必须能够在恶劣环境条件下运行,在预期的汽车使用寿命内可靠运行,同时适应极端温度和湿度。特别是DSRC 也带来了挑战,要在远高于传统手机频段的频率下提供这样的性能。

BAW 滤波器具备所有这些特性,能够提供5.9 GHz 频段所需的所有功能。BAW 滤波器属于声波滤声器,基于大量沉积层构成,包括薄膜压电层和板形电极。声波垂直穿过这些沉积层,层厚决定谐振频率,即:层厚越薄,频率越高。BAW 滤波器提供陡峭过渡带,其高品质因数(Q)高达3000,尺寸远小于传统陶瓷和介质滤波器。BAW 滤波器选择性精度高,尺寸小巧,被广泛用于多种移动设备,这些特性也使它们适合用于高级汽车RF 应用。

BAW 滤波器一般用在高于1.5 GHz 并且需要高性能的应用中,此技术基本上能够适应高达10 GHz以及更高的工作频率。

802.11p 和欧洲收费系统

5.9 GHz DSRC 频段就是频段推动先进RF 滤波器技术极限的最佳示例,其频率高于现有手机频段的频率, 所需的过渡带陡峭度也非常严格。在这种频率下,传输链所有部件的损耗都将非常高,且链路预算将取决于滤波器防止与其他系统产生干扰的能力。对于此频段下运行的802.11p 系统,一个重要的问题是如何与欧洲电子收费系统共存。在许多欧洲国家,这些收费系统都在5795 ~5815MHz频段工作,欧洲电信标准协会(ETSI)也制定了严格的带外杂散要求。

截至目前,尚未出现支持802.11p 系统满足ETSI 要求的可行且经济的解决方案。如图1 所示,解决方案必须能够在整个DSRC 频段内提供低插入损耗,具备极为陡峭的过渡带,以避免与收费系统使用的频谱(仅有15 MHz 的保护间隔)产生干扰。如果不具备高品质因数 (Q >1000),则滤波器无法应对这些挑战。基于测试结构得出的仿真结果确认BAW 滤波器能够超越这些需求,并且在这个频段具备高于0.15% 的频率误差。

仿真显示支持802.11p 的BAW 滤波器性能可以避免与欧洲电子收费系统的干扰

 

图1、仿真显示支持802.11p 的BAW 滤波器性能可以避免与欧洲电子收费系统的干扰

带通仿真预估的温度变化和15 MHz保护频段频率

在较大的温度范围内,汽车滤波器必须满足这些严格的要求,以及避免相邻频段之间的干扰时,温度漂移滤波器频率响应随温度变化出现的漂移成为了最大阻碍。对于汽车应用,由于其规定的运行温度范围为-40~105 ℃,所以漂移问题尤其严重。车辆的驾驶条件多变,有夏季的酷热,也有冬季的严寒,而滤波器所在的位置常常面临更大的温差和热应力,例如车顶天线或发动机舱。

相比其他滤声器,BAW 滤波器本身对温度变化的敏感度较低,但即使如此,采用传统BAW 制造流程也可能无法达到欧洲对DSRC 系统的严格要求。要解决这个问题,就需要更加先进的流程,制造出能够更稳定响应温度变化的滤波器。滤波器材料一般会随温度升高而软化,这种情况造成了温度漂移,可通过添加二氧化硅(SiO2)来抵消这种影响,因为这种材料会随温度上升而变硬,而且这种温度补偿可将温度漂移量降低至接近零,使BAW 滤波器的频率温度系数(TCF)保持在0±2 ppm/℃。

卫星无线电和CS频段

卫星无线电是另一个示例,标准的BAW 滤波器已经无法满足要求,需要温度补偿型BAW 滤波器。

卫星广播/LTE30 频段共存的挑战

图2、卫星广播/LTE30 频段共存的挑战

卫星数字广播音频服务(SDARS) 频段位于FDDLTEBand30 的上行链路和下行链路频段之间,在无线通信服务(WCS)频谱上工作(见图2)。SDARS 频谱每侧只存在一个5 MHz 的保护间隔。为了支持卫星广播服务的运行,同时避免相邻的WCS 频段相互干扰,需要使用一个TCF 接近零的全温度补偿型BAW 滤波器,且要内嵌在汽车天线之中。

Wi-Fi 和LTE 共存

Wi-Fi 和LTE 通信在汽车中通常必须共存,因此要求两者能在不干扰的情况下同时运行。许多车型目前都被用作Wi-Fi 热点,通过LTE 数据连接,与外界进行数据交换,驾乘者也可能同时在其移动设备上使用。

最大的挑战在于2.4GHz Wi-Fi 与LTE Band 40/41 之间的共存。Band40 是一种TDD LTE频段,在中国境内使用,Band41 则在中国和美国境内使用, 而Band7 主要在欧洲使用,也接近Wi-Fi 频谱。LTE Band40 和Wi-Fi 频道1 之间只有1 MHz 的保护间隔,Wi-Fi 频道14 和LTE Band41 之间也是如此。使用温度稳定型BAW 滤波器,只需牺牲极小带宽即可实现Wi-Fi 与两种频段的共存。

可靠性

对于用在汽车中的滤波器,可靠性是一个重要问题,因为汽车的使用寿命比其他移动设备要长得多。因此,比起其他商业应用,汽车滤波器应接受更广泛的测试和审核。美国汽车电子协会针对无源器件(例如滤波器)的AEC-Q200 质量标准包括对高温和温度变化条件下的稳定性的严格应力测试、耐湿性,以及机械应力,例如冲击、振动和板子变形。

总结

随着各类无线设备激增,更多无线频段分配到更高频率,以及全球频谱管理仍然维持碎片化流程,RF 干扰抑制将变得更加具有挑战性。温度补偿型BAW 滤波器(例如Qorvo 的NoDrift 和LowDrift 滤波器)提供温度稳定性、高品质因数和陡峭过渡带,使得BAW 技术能够满足汽车行业最严苛的要求。利用BAW 实现良好的性能和可制造性并不容易,这需要拥有高超的流程控制力和独特的材料科学知识,汽车应用滤波器制造商还应展示产品在温度和环境压力条件下经过检验的可靠性。

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