高敏感度SAW濾波器在無線數(shù)據(jù)測量中的應用

　　一個高效、精美的建筑物和能源管理系統(tǒng)應包括對業(yè)主電力、煤氣和水進行自動記錄的功能，這樣不僅可降低成本、控制出錯幾率，還可免去費時的人工現(xiàn)場抄表作業(yè)。

　　先進抄表網(wǎng)絡基礎設施(AMI)系統(tǒng)用于記錄用戶數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)通過無線電將數(shù)據(jù)傳送到公共事業(yè)部門的網(wǎng)絡中，再由能源管理系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進行分析。收發(fā)機的靈敏性和選擇性對于AMI和網(wǎng)絡之間的可靠無線電連接至關重要。

　　通常有兩種AMI系統(tǒng)：簡單的單傳系統(tǒng)和復雜的收發(fā)系統(tǒng)。傳送機發(fā)送帶有專門定時的數(shù)據(jù)，而收發(fā)機則只有在收到確認正確接收的單元所輪詢后才發(fā)送數(shù)據(jù)。

SAW濾波器的優(yōu)勢

　　為保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，采用了各種各樣的模塊化方案。為此，作為一項規(guī)則，在多信道應用中，通常采用跳頻展頻(FHSS)或直接序列展頻(DSSS)技術。比較而言，單信道應用時，則采用振幅偏移鍵控法(ASK)或頻率鍵控(FSK)技術。AMI系統(tǒng)必須能夠處理這些調(diào)制程序。另外，在實際應用中，還有來自其他無線射頻的干擾，比如無線電話或業(yè)余無線電愛好者。因此無線射頻前端必須具有高敏感度，以及很強的抗干擾能力。

　　現(xiàn)有的AMI系統(tǒng)使用SAW濾波器來抑制產(chǎn)生于IC的諧波和干擾發(fā)射信號。同時，它還可以保證高選擇性。例如，在濾波器放置在天線后面或前面的AMI收發(fā)機的接收區(qū)域時。

　　與其它濾波方案相比，SAW濾波器具有一定的優(yōu)勢。例如，與LC濾波器相比較，即使是寬帶SAW濾波器也具有更高的選擇性、更低的插入損耗，因此其敏感度也更高(圖1)。SAW濾波器的另一個優(yōu)點是具有更低的溫度系數(shù)。

電路布局在AMI系統(tǒng)中的作用

　　對于LC和SAW濾波器而言，高選擇性通常意味著高插入損耗和更低的敏感度。電路布局在AMI系統(tǒng)中起了關鍵的作用，這一點可以通過四項計算得以說明。在每個算式中，噪聲因數(shù)F或更常見的對數(shù)噪聲符號NF是衡量敏感度的參數(shù)。噪聲因數(shù)指的是信噪電壓比，它說明了與輸出時該比率有關的四極元件的輸入情況。公式如下：

　　F=\frac{S_{i}N_{i}}{S_{o}N_{o}}

　　或

　　NF=10log(F) (1)

　　其中：

　　Si：輸出時的信號；So：輸入時的信號；Ni：輸入時的噪聲；No：四極輸出時的噪聲。如果有兩個以上的四極元件，可通過下列公式計算總噪聲系數(shù)F1-n：

　　F_{1-n}=F_{1}+\frac{F_{2}-1}{G_{1}}+\frac{F_{3}-1}{G_{1}G_{2}}+…+\frac{F_{n}-1}{G_{1}G_{2}…G_{n-1}} (2)

　　其中：

　　n：四極數(shù)目；Fn：噪聲因數(shù)；Gn：n個四極的增益因數(shù)。

　　直接安裝在天線后面的第一個四極起了關鍵的作用。原則上說，它的噪聲系數(shù)界定了總噪聲系數(shù)的范圍。

　　為簡便起見，在相應的開關布局舉例中，總噪聲系數(shù)的計算中忽略了傳送/接收(Tx/Rx)開關或平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器。在這些舉例中，SAW濾波器的插入損耗IL、增益G、LNA以及接收機IC的噪聲系數(shù)NF和噪聲因數(shù)F均具有同樣的值。同時，假設SAW濾波器的增益與其損耗相符，并假定它的噪聲系數(shù)為其IL的負值。

　　所有四個例子的參數(shù)條件如下：

　　L_{SAW}=G_{SAW}=−2.9dB

　　G_{SAW(Linear)}=0.513

　　NF_{SAW}=2.9dB→F_{SAW}=1.95

　　G_{LNA}=15dB

　　G_{LNA(Linear)}=31.62

　　NF_{LNA}=1.5dB→F_{LNA}=1.41

　　NF_{RxIC}= 8dB，NF_{RxIC(Linear)}= 6.31

　　這四個例子各有優(yōu)缺點。在例4中，總噪聲系數(shù)是5.37 dB， 因此它的配置是基于無線射頻AMI系統(tǒng)的最佳解決方案。它的特點是敏感度和選擇性更高，再加上由于與第二個SAW濾波器對稱工作，共模抑制率得以改善。

　　例1：SAW濾波器-接收IC(見圖2)

                      
　　F_{1-2}=12.3=>NF=10.9dB

　　接收機IC的噪聲系數(shù)對噪聲有很大的影響?？傇肼曄禂?shù)是10.9 dB，接收機的敏感度大大降低。該結(jié)構的優(yōu)點是能夠阻止SAW頻段以外的干擾信號，依次防止接收機IC的內(nèi)部LNA達到飽和。為了大幅度降低噪聲系數(shù)，在SAW濾波器的前端必須設置一個高增益因數(shù)和低噪聲系數(shù)的階段。

　　例2：LNA - SAW -接收IC(見圖3)

　　F_{1-3}=1.77=>NF=2.48 dB

　　由于低噪聲系數(shù)LNA直接處于天線后面的第一階段，總噪聲系數(shù)NF大大降低。該配置的另一個優(yōu)點是SAW濾波器同時具有平衡－不平衡轉(zhuǎn)換器的功能。這使得共模抑制率(CMRR)和選擇性都得以提高。

　　它的缺點是接收機更容易受到強干擾，如移動電話信號干擾。特別是在AMI系統(tǒng)通過移動電話將消費者數(shù)據(jù)傳送到輪詢基站時，強烈的信號可以促使LNA在傳輸過程中進入飽和狀態(tài)，并阻止接收機識別網(wǎng)狀網(wǎng)絡中另一系統(tǒng)發(fā)射的數(shù)據(jù)。

　　例3：SAW -LNA -接收IC(見圖4)

                           
　　F_{1-3}=3.08=>NF=4.88 dB

　　轉(zhuǎn)換到布局3，即在低噪聲系數(shù)與干擾信號環(huán)境下得以提高的選擇性之間達成某種妥協(xié)。將SAW濾波器直接配置在天線后面，可以保護LNA并減少其飽和的可能性。

　　例4：SAW -LNA -SAW -接收IC(見圖5)

                            
　　F_{1-4}=3.45=>NF=5.37 dB

　　圖5中所示接收機前端擴展版本工作時的噪聲系數(shù)為5.37 dB。與例1 相比，此參數(shù)降幅很大。主要優(yōu)點：高敏感度和選擇性，同時改善共模抑制。

其他

　　由于AMI系統(tǒng)通常是被安裝在惡劣的環(huán)境中，它不僅要具有高靈敏性和選擇性，其運行也要絕對可靠。因此，它的所有元件必須結(jié)構牢固，能抵抗溫度和濕度的定期變化，并具有防震功能。一般來說，汽車電子協(xié)會(AEC)公布的應用標準被認為最嚴格的。因此，該標準也適合于檢驗元件在惡劣環(huán)境下使用的合格性。

　　為了滿足這一標準，SAW濾波器使用了陶瓷封裝，將石英或鉭酸鋰芯片粘合在底部。使用焊線將輸入和輸出針腳(包括底線針腳)與封裝連接。該機構可以使有功SAW結(jié)構得到保護，使封裝免受大多數(shù)應力的影響。