隨著世代的演進，行動電話已經因為加入了如無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)及全球衛星定位系統(GPS)等無線通訊技術變得越來越複雜，而越來越多的無線訊號也使得設計工程師必須利用強大的濾波技術避免手機設計中所面臨的干擾問題，特別是GPS功能。
對於同步全球定位系統(S-GPS)，GPS訊號的接收以及語音或資料的傳送會在手機上同時發生，而語音或資料發送訊號可能會洩漏至GPS的接收路徑，造成低雜訊放大器或後端電路的過載，從而影響到接收器的靈敏度。
這個問題為手機設計工程師帶來重大的挑戰，因為他們必須決定如何在微弱的GPS輸入訊號下維持良好的接收器靈敏度，同時還得面對語音或資料發送訊號的干擾。這就需要一個具有非常良好干擾訊號遮蔽能力，並且可以提供低雜訊指數及微弱GPS訊號高增益的GPS接收器前端(圖1)。
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| 圖1 GPS接收器(Rx)前端的簡化功能方塊圖 |
將FBAR濾波器整合至低雜訊放大器
前置濾波器可以用來遮蔽強大干擾訊號，避免其進入GPS接收器路徑，依Friis方程式，第一級電路的雜訊指數或插入耗損，主要取決於接收器鏈的雜訊指數，條件是只要後方電路擁有合理的增益。
因此，要達到前面提到的目標，設計工程師必須整合一個具有低插入耗損、高帶外抑制能力以及低雜訊、高增益且線性度良好的放大器。
一個具備這些特性的GPS前端模組產品，由薄膜腔聲諧振(FBAR)濾波器和砷化鎵(GaAs)增強模式擬態高電子遷移率電晶體(Enhancement-mode pseudomorphic High Electron Mobility Transistor, E-pHEMT)低雜訊放大器(LNA)組合而成。
FBAR是一個可以提供高Q值小型濾波器，帶來陡峭截止濾波與穩固帶外抑制能力的特有技術，藉由整合濾波器，模組可以遮蔽接近1.575GHz GPS訊號的干擾訊號，並維持放大器的低雜訊指數。
例如，衛星電話的通訊頻帶使用非常接近GPS頻率的1.62GHz訊號，因此需要一個具有陡峭截止濾波能力的濾波器來遮蔽訊號，讓頻帶內的GPS訊號不會明顯衰減。
由於雜訊指數通常由接收器路徑的第一級電路決定，因此在模組的第一級電路整合低耗損FBAR濾波器，並在之後加上GaAs低雜訊放大器可帶來具有極低雜訊指數與高帶外遮蔽能力的最佳GPS接收器。
對照射頻效能表現
表1總結三款具有不同前置濾波、後置濾波與放大器組合GPS模組的射頻效能表現，前兩個模組在第一級電路中整合一個FBAR濾波器，並在之後加上一個低雜訊放大器，其中第二個並加入額外的後置濾波器。至於第三個模組，則是低雜訊放大器加上後置濾波器的組合。
由表1可以看出，前兩個模組對於干擾訊號的遮蔽能力優秀許多，ALM-1912與ALM-2712在蜂巢行動頻帶、PCS頻帶和Wi-Fi頻帶的帶外輸入P1dB比起在低雜訊放大器前沒有加上濾波器的ALM-1412好上許多。高帶外P1dB意味著模組可以在強大干擾訊號下正常工作，不會造成放大器飽和。
安排測量與測試
為進一步詳細了解這三款不同濾波器與放大器組合模組的效能表現，以下的比較顯示表1中三個模組在干擾訊號下的遮蔽能力。測量藉由監視模組雜訊指數在特定功率干擾訊號下的劣化情形進行，在測量中使用接近GPS頻率且可能對GPS頻率雜訊指數影響最大的1.62GHz干擾訊號。圖2為進行測量的測試安排。
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| 圖2 測量出現干擾訊號時雜訊指數劣化情形的測試安排 |
訊號產生器產生一個位於干擾頻率的持續訊號波，功率組合器結合干擾訊號和雜訊源，接著把組合後的訊號送到GPS模組來測量各自的雜訊指數。
在干擾訊號與雜訊源組合前存在一個外部前置放大器來放大干擾訊號，雜訊指數分析儀可以監視並接收極低固有雜訊，任何來自干擾源的額外雜訊都非常重要，因此被涵蓋在雜訊指數的測量中。
位於GPS頻率的高固有雜訊干擾源可能造成干擾源固有雜訊的測量而非模組本身雜訊指數的測量。為確保雜訊指數的測量不會包含額外的固有雜訊，安排中使用濾波器衰減GPS頻率的干擾訊號來抑制訊號與雜訊。
如前面所討論，要使測試正確且精密地進行，必須對GPS頻率干擾訊號的固有雜訊提供高抑制能力。
由圖2可以看出，在干擾訊號源安排帶通濾波器能夠濾除干擾訊號的諧波。
此外，放置在帶通濾波器後方的兩個陷波濾波器可以抑制GPS頻率干擾訊號的固有雜訊。
圖3顯示兩個串接陷波濾波器與帶通濾波器的頻率響應，串接濾波器在1.575GHz提供100dB的衰減及1.62GHz干擾訊號頻率的低耗損。
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| 圖3 串接陷波濾波器與帶通濾波器的濾波響應 |
對於受測元件，也就是GPS模組後方的測試配置，安排在雜訊指數分析儀前方的GPS帶通濾波器可以遮蔽強大干擾訊號避免進入雜訊指數分析儀，幫助分析儀避免受到強大干擾訊號影響而過載。
含前置濾波器較能抑制干擾
圖4顯示三個模組在強大1.62GHz干擾訊號下雜訊指數的漸衰情況，主要以無干擾訊號時各模組的雜訊指數做為參考，測量結果則以圖2中的測試配置安排為基礎。
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| 圖4 雜訊指數漸衰相對於干擾訊號強度的關係 |
對於第一級電路中沒有前置濾波器的ALM-1412模組，在干擾訊號達到-10dBm功率大小前雜訊指數的漸衰就超過1dB，而ALM-1912與ALM-2712模組在雜訊指數上則沒有影響，甚至當干擾訊號的功率大小達到20dBm時也是如此。
相當明顯地，具有前置濾波器的GPS模組對於強大干擾訊號有著更好的抑制能力，在這個例子中，測量資料顯示，比起放大器前沒有濾波器的ALM-1412模組，具有前置濾波器的ALM-1912與ALM-2712模組對於強大干擾訊號的抑制能力要好上許多。
整合FBAR濾波器確實可行
在第一級電路整合FBAR濾波器可以提供對抗干擾訊號更好的雜訊指數效能表現，FBAR濾波器的低插入耗損對於放大器雜訊指數的影響最小，因此具有低插入耗損與高帶外抑制能力FABR前置濾波器的GPS放大器模組提供GPS接收器鏈的最佳解決方案。另一個額外好處是，所有零組件整合到小型模組封裝內，可以節省電路板空間並加速設計完成時間。
(本文作者任職於安華高)