射頻濾波器允許不同的頻譜帶，并通過避免碰撞和控制智能手機中的數(shù)據(jù)流來改善用戶體驗。Resonant 的濾波器旨在提高 5G 數(shù)據(jù)速率和帶寬。

在接受 EE Times 采訪時，Resonant 董事長兼首席執(zhí)行官 George Holmes 和公司企業(yè)發(fā)展副總裁 Mike Eddy 解釋了他們的新 XBAR 諧振器技術(shù)如何經(jīng)過優(yōu)化以創(chuàng)建適用于 5G 和 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的濾波器。Holmes 表示：“我們正在與多家 4G 和 5G 濾波器的射頻模塊和濾波器供應商合作，最近實現(xiàn)了一個重要的里程碑，這將導致關(guān)鍵 5G 射頻濾波器的大規(guī)模生產(chǎn)。”

4G LTE 網(wǎng)絡(luò)的普及、新 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署以及 Wi-Fi 的普遍性導致智能手機和其他移動設(shè)備必須支持的射頻頻段數(shù)量急劇增加。射頻濾波器并不新鮮，沒有它們我們的智能手機將無法工作。第一代智能手機的濾波器少于 10 個，因為它們沒有很多射頻信號。今天——使用 Wi-Fi、藍牙、GPS 以及 2G、3G、4G 和現(xiàn)在的 5G——100 多個過濾器正試圖防止進入手機的信號相互沖突。

然而，5G 網(wǎng)絡(luò)還沒有為黃金時段做好準備。挑戰(zhàn)在于必須使用濾波器隔離每個 5G 頻段，以避免干擾會耗盡電池壽命、降低數(shù)據(jù)速率并導致掉線。今天，過濾器技術(shù)無法提供這些新網(wǎng)絡(luò)所承諾的性能。

“我們現(xiàn)在專注于 5G，因為要求與 4G 過濾器相比發(fā)生了巨大變化。如果你看一下 iPhone 11，就會發(fā)現(xiàn)有近 100 個聲波濾波器；在 iPhone 11 中，需要在手機內(nèi)處理的每個頻段都需要一個濾波器。當我們看到 5G、更高的頻率、更寬的帶寬和更復雜的情況時，很明顯市場需要一種不同類型的聲波構(gòu)建塊來用于這些濾波器。因此，我們開發(fā)了技術(shù)來應對 5G 和 Wi-Fi 頻段 5 GHz 和 6 GHz 以及 6 到 8 GHz 的超寬帶 (UWB) 的新市場，”Eddy 說。

射頻濾波器?

除了手機，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是一組快速增長的連接設(shè)備，它們也使用射頻濾波器進行通信。在最簡單的層面上，RF 濾波器允許“好”信號能夠進入 PCB 軌道，而其他信號則被拒絕以避免干擾。“沒有射頻濾波器的幫助，您將無法在手機上播放視頻，甚至無法打電話或發(fā)短信，”Eddy 說。

圖 1：射頻濾波器市場。射頻前端 (FE) 從 15B 增長到 26B。射頻濾波器市場從 9B 增長到 15B（來源：Resonant）。點擊上面的圖片放大。

射頻濾波器還將允許在醫(yī)療環(huán)境中工作的手術(shù)機器人通過與操作中心進行遠程通信來徹底改變，消除任何可能被證明是災難性的速度或性能故障。射頻濾波器管理整個智能家居的控制，從開燈到啟動真空吸塵器，它們正在被整合到現(xiàn)代電動汽車中，幫助自動駕駛技術(shù)。

早期的手機使用插入損耗非常低的陶瓷單塊濾波器，但與今天的手機相比，這些手機基本上只需要較少的濾波器。陶瓷一體式過濾器由于尺寸大且成本高，現(xiàn)在在現(xiàn)代手機中受到限制。由于基于壓電效應的聲波諧振器的發(fā)展，現(xiàn)代手機射頻架構(gòu)和智能手機使用的爆炸式增長成為可能。

蜂窩無線電使用多個發(fā)射和接收鏈在多個頻帶中運行，每個鏈都有自己的一組放大器、開關(guān)和濾波器。每個信號鏈都依賴于一系列濾波器來消除不必要的干擾。幾乎所有這些濾波器都是壓電器件，使用光刻工藝制造以產(chǎn)生表面聲波 (SAW)、體聲波 (BAW) 或聲諧振器 (AR) 結(jié)構(gòu)。SAW 及其溫控同類產(chǎn)品因其低成本而受到青睞。然而，它們在較高頻率下的高信號損耗構(gòu)成了一個嚴重的問題，因為它很難在遠高于 2.5 GHz 的頻率下運行。

“我們意識到這些類型的聲學濾波器在高頻和帶寬方面存在困難。因此，我們提出了一種稱為 XBAR 的結(jié)構(gòu)，我們在單晶鈮酸鋰薄膜頂部使用金屬指狀物，在該壓電體中建立體聲波。這是一個非常不同的結(jié)構(gòu)，它看起來像一個表面聲波結(jié)構(gòu)，但它實際上是一個體聲波。它針對高頻、寬帶寬和高功率進行了完美優(yōu)化。抱歉，這是一個冗長的解釋，”埃迪說。

要設(shè)計濾波器，必須將多個諧振器耦合在一起以形成通帶。首先要考慮的參數(shù)是與聲波諧振器的關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)的帶寬，即耦合系數(shù)。其他參數(shù)包括操作頻率、損耗和功率水平。低損耗最大限度地提高了信號效率，從而延長了電池壽命。所有這些參數(shù)都是材料、設(shè)計和制造過程的函數(shù)（圖 1 和圖 2）。

圖 2：這些聲波濾波器技術(shù)是使用光刻工藝制造的（來源：EDN）。

5G 射頻濾波器

XBAR 諧振器由一個單晶壓電層組成，頂部表面有一個金屬叉指換能器 (IDT)。金屬跡線在壓電層內(nèi)激發(fā)體聲波，主頻率和耦合特性由壓電的物理尺寸和特性決定。

XBAR 設(shè)備通過壓電材料的主體而不是沿其表面?zhèn)鞑バ盘?，因此在高頻和寬帶寬下提供低插入損耗，適用于 5G。“XBAR 是 Resonant 使用我們的設(shè)計軟件平臺 ISN 開發(fā)的 BAW 諧振器結(jié)構(gòu)。它采用標準 SAW 工藝制造，具有更高的本機工作頻率 (3-7 GHz) 和 4 倍更寬的工作帶寬，高達 24%，”Holmes 說。

他補充說：“我們使用數(shù)學模型來快速設(shè)計和模擬濾波器，特別是針對目標代工廠的能力，從而減少通過晶圓廠的轉(zhuǎn)數(shù)。這些模擬基于針對目標規(guī)范預期的數(shù)千種變化，從而產(chǎn)生更好的結(jié)果。因此，需要很少的工程師以更少的輪次完成相同的工作，從而使這一過程更具成本效益。”

5G 手機依靠高帶寬來獲得高數(shù)據(jù)速率，因此需要更大的頻譜部分。因此，5G 具有比 4G 更大且頻率更高的新頻譜分配，需要數(shù)百兆赫的頻譜和 3 GHz 以上的頻率——而不是 2 GHz 左右的數(shù)十兆赫頻譜。

Resonant 強調(diào) XBAR 非常適合 5G，隨著用戶的增長，干擾問題會出現(xiàn)，RF 濾波器將在優(yōu)化 5G 傳輸中發(fā)揮重要作用。“使用 XBAR 開發(fā)的濾波器具有最大化效率所需的功能，包括高達 1,200MHz 的帶寬、支持高于 3GHz 的頻率以及低損耗，”Eddy 說。此外，隨著 5G 的普及，利用現(xiàn)有工藝的低成本制造技術(shù)將成為所有射頻濾波器制造商的一個重要方面。