最新新闻 5G 毫米波滤波器,最佳方案原形是什么?

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    最新新闻 5G 毫米波滤波器,最佳方案原形是什么?

    人气:发表时间:2021-09-01

    随着蜂窝移动技术的发展,移动带宽不息增补最新新闻,频段也越来越多。这些带宽中的每一个频段都必要一个滤波器来将其信号与其他频段睁开,但现在用于手机的滤波器技术能够无法扩展到 5G 中的整个毫米波 (mmWave) 周围。

    张德勇 中国社会科学院财经战略研究院研究员

    约旦《约旦时报》8月18日文章,原题:美中并非注定一战 2034年,美国和中国卷入一系列军事冲突,并升级为一场毁灭性的战术核战争。俄罗斯、伊朗和印度等国也卷入其中。突然之间,世界濒临第三次世界大战。这是《2034年:一部下一次世界大战的小说》所描绘的情景。现在,包括此书在内,越来越多的声音警告,世界上崛起的大国和守成大国之间的冲突几乎不可避免。哈佛大学教授格雷厄姆·艾利森将这种现象称为“修昔底德陷阱”。他回顾了这位古希腊历史学家的观点:“正是雅典的崛起以及由此给斯巴达带来的恐惧使战争不可避免。”

    “毫米波时代终究会到来,但不是现在,”Resonant(一家美国公司,成立于 2012 年 1 月,为无线电频率(简称 RF )创建创新性滤波器设计,前身是移动设备工业)企业发展副总裁 Mike Eddy 说。“地球探测卫星服务的频率为 23.8 GHz,略矮于为 5G 安放的毫米波频段,所以必须对其进走一些过滤。”

    “声外貌波(Surface acoustic wave ,简称 SAW)器件或体声波(bulk acoustic wave ,简称 BAW)器件的扩展不会超过 10 GHz,” FormFactor 射频部分营业开发总监 Anthony Lord 说。

    “这些滤波器都异国在毫米波周围内做事,它们都超过了 6GHz 或 8GHz”,FormFactor 射频产品组营销高级总监 Tim Cleary 外示,“业内异国更益的解决方案,这是一个挑衅。”

    当着手持设备走业中,SAW 和 BAW 滤波器占有主导地位。固然它们能够随着进一步改进而扩展到 6 GHz 周围之外,但距离毫米波设计必要运走的 28 至 70 GHz 周围,还有很长的路要走。

    其实,在不受限于以体积大幼的设备上,已经存在一些解决方案——但这些方案并不适用于手机,这就是现在必要发展的地方。

    频段激添,滤波器爆炸式添长

    移动通信技术每更新一代,都会有更多的频段被开发行使。“频段”一词能够有分别的含义,比如宽带(borad bands)是被分配和拍卖的,而单个信道代外的频段是这些宽带的子集。

    这些幼频段的数目正在急剧增补。对于行使频分双工 ( frequency-domain duplexing,简称 FDD) 的信道,有两个相邻的链路——一个用于发送,一个用于授与——两者之间存在一个珍惜频段。当行使时分双工 (time-domain duplexing,简称 TDD) 时,整个信道只有一个频段。

    这些频段或每一个子频段中都必要一个带通滤波器( band-pass filter)。随着频段数目的激添,所需的滤波器数目也呈爆炸式添长。比如说,今天智能手机中的滤波器的数目已经超过了60个,而 5G 时代这一数字将进一步挑高,以便为毫米波频段增补更高的频率。

    理论上,带通滤波器能够经由过程频带内的一切信号,并将频带之外的一切信号“挡在门外”,能够浅易地将其视为频带内的信号乘以 1,频带外的信号乘以 0。

    不过,实际世界中的滤波器其实并不理想,面临多多挑衅。

    实际中的滤波器,挑衅重重

    实际中的滤波器,并不是在频带边缘"戛然而止”,由于频带边缘呈弧状,衰减是倾斜的而不是垂直的。

    中央频率、上限和下限的截止频率是滤波器的关键属性,截止值被定义为信号经由过程能力降低 3dB 的点(对答于信号功率降低一半的点)。超过 3dB 衰减的斜率清淡称为下摆,必要尽能够快地降低。

    固然自力设计三个频率(中央、上限和下限)能够会很益,但实际上,上限和下限截止频率一首移动使得设计中央频率和团体宽度成为能够,所以中央频率也跟着一首移动,而宽度清淡就是中央频率的百分比。

    设计更宽的带通滤波器能够更具挑衅性最新新闻,一些 5G 频段的宽度能够高达中央频率的 20%,这给滤波器的设计带来了很大的义务。

    在授与器的前端,必要尽能够早地过滤失踪散杂信号,防止其进入射频链,这意味着要在天线之后必要立即对信号进走过滤。随着大周围的多入多出(MIMO)技术批准波束控制,大量的天线单元阵列被行使,在这栽情况下,每个元素都必要一个过滤器。

    “这些单元之间的间距基于毫米波,也就是说间距大约为 5 毫米,” Eddy 说。“体面这一间距是一定。” 但现在对于毫米波来说是不能够的,所以任何过滤都是在混频器之后完善。

    基站有有余的空间来原谅滤波器尺寸,但手机挑出了苛刻的幼尺寸请求。在可意料的异日,幼型滤波器的最佳频率能够是 28 GHz,由于这是手持设备中能够行使的毫米波频率,更高的频率更有能够用于塔对塔通信,这些体系不像手机那样受空间局限。

    “对于基站之类的东西,吾们将倚赖陶瓷介质滤波器和金属腔体滤波器,” Cadence 的 AWR 柔件技术营销总监 David Vye 说。“它们永世无法已足移动设备内部的空间请求。”

    在早期,28 GHz(或相近)频段的滤波需求更添宽松。3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming 外示:“最初几年吾们往往听到,手机中不会有任何毫米波滤波器。由于当时候还不会分解频段,主要行使天线进走滤波。”

    在这栽情况下,将天线做为一个马轻率虎的滤波器已经有余,但在某些时候,吾们必要为天线元件准备真实的滤波器。那么,这些毫米波滤波器原形如何制造?

    普及行使于手机的声波滤波器

    当今手机中的大无数滤波器都行使声波技术,这一技术设计压电原料在电场影响下的微幼变形,以及物理变形后产生电场。所以,电信号能够转换为死板波动,死板波动也能够转换为电信号,这些死板波动相等于晶体内的声波。

    经由过程竖立一栽声学谐振组织,能够将输入信号施添到谐振器的一端。该输入信号由很多分别频率的信号构成——有些是用于其他频段的信号,而有些则是环境噪声。滤波器的主要义务是消弭通带之外的肆意信号。

    通带内的信号频率分量将引首声学共振,接着声波滤波器检测到这些声学共振并将其转换回滤波器另一端的电域。理想情况下,该输出将由一切被驱逐了不消要频率的输入信号构成。

    这些声波滤波器有很多益处,包括通带清洁、尺寸专门幼和成本组织有利,尤其是高产量的制造业降矮了成本。

    在较矮频率下,外貌声波 (SAW) 滤波器占主导地位,行使这些滤波器,原料外貌的波被激发,并耦相符到联相符外貌附近的输出端。

    对于更高的频率,体声波 (BAW) 滤波器则占主导地位,与矮频率下的 SAW 相逆,不是在原料外貌激发波,而是行使了大量原料从顶部到底部共振,输出电极位于下方。这必要更复杂的处理,所以它们往往比 SAW 滤波器更腾贵。

    BAW 滤波器有两栽基本版本,区别在于内部驻波的竖立手段。

    一个版本必要从底部到顶部进走逆射,并且行使自力式谐振器 BAW (FBAR) 滤波器和空气腔完善这项做事。 另一个版本行使一系列望首来像声学镜(相通于光的布拉格逆射器)的层,被称为固体安置谐振器 (SMR) BAW 滤波器。

    SAW 和 BAW 滤波器都是行使 MEMS 添工技术制造的,但它们益像在更高的频率下最先失效了,这外明该走业能够必要为毫米波频段追求新的滤波器。

    毫米波滤波器的三栽选择

    毫米波无线电信号并不稀奇。例如,雷达和微波装配已经在行使它们,但这些往往是只能处理一两个频率的大型装配。对于 5G,必须对更多频段进走更添的厉格过滤,而且能让它们装入移脱手机。

    固然 SAW 和 BAW 已经不被纳入考虑周围,但 Resonant 拥有所谓的 XBAR 技术,并声称该技术能够扩展声学技术的可用周围。该公司从头最先重新设计 BAW 滤波器,行使分别的压电原料——铌酸锂——并将两个触点都放在顶端上,相通于 SAW。

    不过与 SAW 的主要区别在于,行使 XBAR 时,触点不会有物理上的移动。“行使 SAW,金属棒会进走物理移动,也就意味着它们在金属迁移过程中失踪了动力,”Eddy 指出。

    “当吾们对这栽组织进走建模时,XBAR 挑供了 5G 所需的能量、带宽和功率处理能力——尤其是当吾们凝神于 3 至 5 GHz 时,”他不息说道。“现在吾们正在钻研 5 到 7.1 GHz 的 WiFi,然后是 7 到 9 GHz 的超宽带。该模型能够用于毫米波吗?吾们认为能够。”

    XBAR 滤波器望首来很有前途,但重点是,它代外了在这个频率周围内的一栽新手段。其他两栽多所周知的毫米波滤波器技术是波导和腔体滤波器,但与行使声波的 SAW 和 BAW 滤波器分别,它们行使电磁波进走共振,都有普及的组织选择,清淡用于微波行使。

    这些谐振器的尺寸清淡按照频率周围而定,尺寸或间距在四分之一波长周围内。频率越高,波长越短,滤波器越幼。对于 5G 频率,谐振器的尺寸在缩短——但照样不能够装着手机。

    “有一栽叫做‘波导腔’的介质,它的高度和宽度决定了能够经由过程它传播的能量,”Vye 说。“矮于该频率,能量不会传播,高于某个频率,就会展现调制题目。”

    谐振器的行使有助于缩短不消要的模式。“波导腔滤波器内部有一些柱子,”Vye 说。“它的作用与陶瓷滤波器相通,它的特性是按照柱子的尺寸,在特定频率下停留或传递能量。谐振器之间的物理尺寸将影响带宽,而谐振器的数目会影响衰减,即滤波器越多,衰减越快。但云云一来,就增补了滤波器的长度,也增补了过滤器的原料成本。”

    对基站而言,由于能够原谅更大的尺寸,该技术是正当的,但对于手机而言,这一滤波器照样太大。

    微带滤波器是频率高达 30 GHz 的另一栽选择。经由过程这栽设计,在印刷电路板 (PCB) 上创建微带线以声援电磁谐振。不过照样存在一个题目,清淡来说, PCB 原料被普及认为质量不高。

    “PCB 的厚度转折、原料介电常数的转折以及印刷时线宽的转折,都会改明达带频率。”Eddy 说。

    此外还有其他考虑。Flemming 说:“原料特性实在会推动性能外现,但市场上的原料屈指可数。这些专门高 Q 值的共振陶瓷原料稀奇,清淡价格更高。历史上 MLCC(多层陶瓷帽)是一栽相符理的原料,但它们在 25 GHz 旁边最先失效。”

    诱人的玻璃工艺

    由于毫米波频率的波长较短,所以在硅或其他原料中制作波导成为能够。“这几乎就像 MEMS,由于你正在创建这些通道,微波信号能够经由过程蚀刻区然后在硅晶片上进走金属化,”Vye 注释说。

    3D Glass 经由过程光刻工艺在玻璃而非硅中制作波导,经由过程袒露在紫外线下选择性地将非晶玻璃转化为晶体,被转化的结晶玻璃(实际上是陶瓷)更正当蚀刻,更便于创建通孔特征。

    “陶瓷在酸中的蚀刻速度比玻璃快 60 倍,”Flemming 说。“吾们能够做空腔,但这是一个准时蚀刻,由于这栽陶瓷层有玻璃贯穿其中。”

    能够经由过程这栽手段制造电感器等组织,也能够用这栽手段创建带有谐振器的腔,用于毫米波滤波。

    “吾用金属线做谐振器,几乎蚀刻失踪了一切玻璃,” Flemming 说。“所以吾的谐振器大片面都漂浮在空中。由于 5G 毫米波的局限因素是原料,倘若吾能往除原料,并使其在空中漂浮且扎实耐用,就能够称之为取得成功。这条悬浮的带状线能够达到大约 40 到 50 GHz。吾们展现了 10% 到 15% 的带宽,这是相等普及的。”

    这些足够空气的空腔能够延迟到更高的回程频率。“吾们正在 70 到 150 GHz 周围内进走大量的客户开发,”他指出。“有人称之为 5G,有人称之为 6G。”

    以前的过滤器设计涉及多栽制造以优化性能,但是变量太多,请求也很厉格,不过现在能够行使模拟工具,以便在构建滤波器之前对其组织进走优化。

    “如何封装以及如何连接到电路的其他片面专门主要,”Vye 说。“人们屏舍了对设计的经验测试,倚赖 EM (电磁模拟) 技术来进走设计。”

    Cadence 此前行使 Microwave Office 设计和模拟 3D Glass,所以熟识 3D Glass 的做事。“在一个专门矮消耗的组织内有金属谐振器,这个组织由幼玻璃基座悬浮的在空中,用来构建专门幼的滤波器,尽管还异国声波滤波器那样幼,”Vye 说。

    结论

    玻璃工艺的经济性是诱人的。考虑到对体积的需求,能够行使面板代替晶圆。一个 9' x 9' 面板能够安置很多滤波器,所以,固然今天的做事是在 6 英寸和 8 英寸晶圆上进走,而且一些客户期待转向 12 英寸晶圆,但他们望到了一条降矮成本的清亮路径。

    固然还有一些令人昂扬的能够性即将展现,但这些能够性还异国准备益进走商业生产,在过滤技术周围尚未展现真实的赢家。

    5G 手机中的毫米波尚未十足实现,所以还有一些时间。但必要仔细的是,走业现在面临的题目是制定一个郑重的计划和路线图,而不是一些能够奏效的兴味思想。

    本文转自雷锋网,如需转载请至雷锋网官网申请授权。

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