諧振器為5G提供高性能RF濾波器

2020-07-21

4G LTE網絡的激增，新5G網絡的部署以及Wi-Fi的無處不在正在推動智能手機和其他移動設備必須支持的RF頻段數量急劇增加（圖1）。必須使用濾波器將每個頻段隔離開，以避免干擾，這會耗盡電池壽命，降低數據速度并導致掉話。

1.在300 MHz至3 GHz的無線電頻譜內，突出顯示的部分是移動設備的2 GHz頻帶。

通過耦合基本構件或諧振器來構造濾波器，以通過所需的頻率，同時抑制干擾頻率。

那么，什么是諧振器？各種潛在的共振結構被用來產生用于不同應用的濾波器（表1）。

離散電感電容（LC）濾波器是無源電路，其中電感器阻止高頻信號并傳導低頻信號，而電容器則相反。對于將功能集成到印刷電路板層壓板中的集成無源器件（IPD），它們非常緊湊。盡管這樣的濾波器實現具有低通帶損耗，但它們并不能在接近頻率的范圍內抑制潛在的干擾信號。

腔諧振器昂貴且笨重。但是，對于大功率蜂窩基站，由于它們能夠處理非常大功率的信號（數十瓦），因此它們是首選的濾波器。

多層陶瓷濾波器的插入損耗非常低，但是潛在干擾信號的衰減也很差。  另外，相對于IPD，這些設備很大，尤其是在高度方面，這限制了模塊的使用。提出了用于非常高的毫米波頻帶的這種濾波器。

從整體式濾波器到聲波諧振器

早期的移動電話使用基于陶瓷的整體式過濾器，該過濾器提供了所需的性能特征（圖2）。但是，與目前需要多達40至50個過濾器的電話相比，這些電話所需的過濾器相對較少。陶瓷整體式過濾器由于尺寸大且成本高，目前在現代手機中的使用受到限制。

2.顯示的是1994年Motorola手機中使用的單塊濾波器的示例。

隨著聲波諧振器的發展，現代手機RF架構以及智能手機的使用激增。這些設備結合了低成本，小巧的尺寸和性能特點，適合當前高達4G的智能手機的頻率范圍和信號功率范圍。

基于壓電效應的聲波諧振器由于其緊湊的尺寸而與移動電話應用非常有吸引力，因為其緊湊的尺寸與各種介質中感興趣頻率的波長有關（表2）。

由于結構內的不對稱性，壓電效應存在于某些晶體中。例如，在圖3所示的鈮酸鋰（LiNbO 3）晶格中，鋰和鈮離子從氧八面體的中心移位。

3.此圖中的線表示鈮酸鋰晶格內的不對稱性，從而導致壓電效應。

因此，當向該晶體施加電壓時，它將機械變形，從而將電能轉換為機械能。當機械壓縮或膨脹這種晶體時，情況恰恰相反。電荷在晶體結構的相對面上形成，導致電流在端子中流動。

交替發生的機械變形會產生聲波，并以每秒4,000至12,000米的速度傳播。取決于金屬-壓電結構的細節，聲波可被引發以在表面上流動或通過壓電體。實際上，即使在表面聲波（SAW）和體聲波（BAW）類別中，也存在一系列具有不同特性的聲波 （圖4）。

4.此圖總結了BAW和SAW聲波之間的差異。

為了設計濾波器，通常將多個諧振器耦合在一起以形成通帶，通常采用“階梯”配置的形式，該配置會交替使用串聯和并聯諧振器。篩選器的主要特征包括：

帶寬 通常被描述為分數帶寬，因為濾波器通帶/中心頻率的寬度表示為頻帶頻率的百分比。這與聲波諧振器的關鍵參數-耦合系數或k 2有關。

頻譜較低端的頻率需要更大的諧振器。在較高的頻率下，尺寸變小，這限制了可達到的產量。

損耗 是指信號通過濾波器時強度的降低。低損耗可很大程度地提高信號效率，從而降低發射信號的信號功率。這進而延長了電池壽命。

移動信號的功率水平繼續上升，因為高頻信號傳播速度較低，并且需要更大的功率來覆蓋和提高速度。這對濾波器提出了更高的可靠性要求。

 其中許多參數是設計，材料選擇和制造過程的函數。但是，帶寬是聲諧振器的基本特性。對于聲波諧振器，每個單獨的諧振器都有兩個“諧振” - 諧振和反諧振。這兩個共振的頻率間隔（表征為耦合系數或k 2）確定了很好濾波器帶寬。

以下是說明關鍵聲波原理的方程式：

其中 λ 是聲波波長，v是波速，f是諧振頻率。

 

其中k 2是耦合系數，f r  是諧振頻率，而f a 是反諧振頻率。

從諧振器到濾波器，聲波梯型濾波器的很大可實現帶寬受到與k 2有關的諧振-反諧振頻率分離的限制（圖5）。

5.阻抗-頻率模型顯示了聲波諧振器的諧振和反諧振（a）；通過級聯多個諧振器，可以產生一個通帶濾波器（實線，b）。

濾波器的性能受耦合系數的影響（較高的耦合會增加帶寬）。諧振器的數量（更多的諧振器會以損失帶寬為代價增加帶寬）；品質因數（更高的品質因數可降低損耗，尤其是在頻帶邊緣）；和溫度穩定性（圖6）。

6.濾波器性能受耦合系數（較高的耦合會增加帶寬；左上方），諧振器的數量（增加諧振器的數量會增加帶寬而以損失為代價；右上方），品質因數（較高的品質因數會降低損耗，尤其是在波段邊緣；左下方）和溫度穩定性（右下方）。

5G過濾器

為5G手機的主要應用包括增加流視頻和流媒體相關的服務，如游戲或AR / VR - 所有這些都依賴于高帶寬的設備。為了顯著提高無線寬帶的容量和速度，需要更廣泛的頻譜范圍以及可用頻譜的匯總。因此，5G具有比4G寬得多的頻譜和更高的頻率的新頻譜分配。

寬帶對于實現高數據速率至關重要。就瞬時帶寬而言，僅在3 GHz以上可用。因此，這些新頻段的濾波器要求與4G完全不同。5G需要數百兆赫的頻譜和高于3 GHz的頻率（而不是2 GHz左右的數十兆頻譜），以及用于保護此帶寬的濾波器。

可以修改用于3G和4G的聲波諧振器（通過摻雜壓電效應并添加外部電感器）以增加可實現的帶寬。但是，這是以其他性能參數為代價的。

傳統的聲波諧振器是為前幾代無線技術（2G，3G和4G）以及更窄的相關帶寬開發的。當今的無線技術需要從一開始就針對當前要求進行優化的新諧振結構。

XBAR是一種BAW聲諧振器，不適用于較窄帶寬的濾波器，但它與5G完美匹配（圖7）。我們仍處于5G的早期階段；由于用戶流量較低，因此不再需要高性能過濾。但是，隨著越來越多的用戶采用5G，緊密接近的多個頻率將迅速引起干擾問題。

7.不同的聲波諧振結構顯示了具有相對成本和性能的適用于不同代的無線網絡。

5G與Wi-Fi共存

5G和Wi-Fi將面臨與蜂窩技術歷史上任何其他企業不同的共存挑戰。  n77和n79 5G頻段與5 GHz Wi-Fi頻段在頻率上相鄰，幾乎沒有保護帶將它們分開（圖8）。新的Wi-Fi 6（802.11ax）標準在n79頻段附近運行，n79頻段又與n77頻段相鄰。

8.此處顯示的是5G和Wi-Fi頻率之間的小型保護頻帶。

行業分析公司Navian的一份報告總結了這種共存問題：“ Wi-Fi的5 GHz頻段對智能手機至關重要，它位于4.5 GHz和6至7 GHz頻段之間。如果要充分利用這些頻率，則每個帶寬都需要一個陡峭的濾波器。同樣，對于n77和n79 5G頻段，由于200 MHz的頻段間隙太窄而無法充分利用，因此同時需要用于這些頻段的高性能濾波器。”

如圖9所示，n77和n79之間僅存在200 MHz的間隔，而n79和5 GHz Wi-Fi 6頻率之間僅存在150 MHz的間隔。這些頻段的濾波器將需要具有較大的耦合系數和較高的Q或品質因數。XBAR技術可以同時阻止干擾信號以減輕5G和Wi-Fi頻段之間的干擾，并通過每個頻段的最大帶寬，從而防止Wi-Fi信號滲入n79數據路徑，反之亦然。

 

9.需要使用濾波器來防止干擾并實現5G和Wi-Fi頻段的共存操作。

那么，不良過濾對5G無線速度有何影響？這將如何影響5G用戶體驗？干擾將大大減慢5G數據吞吐量的速度，其速度將取決于干擾的程度。使用正確的5G過濾器時，一部3 GB影片的下載時間為34秒，但如果沒有該過濾器，則下載時間可能需要20分鐘或更長時間（圖10）。

 

10.這些是在各種無線帶寬下3 GB文件的下載時間。

5G網絡的帶寬需求正在推動新一代RF濾波器的發展，而后者又需要新一代的諧振器來提供吞吐量并提供信號共存。  聲波諧振器已成為領先的技術，因為它們具有合適的性能范圍，可以確定可為這些應用推導的很好濾波器。5G設備可能需要多達100個濾波器，這對于優化諧振器結構以很好匹配要求至關重要。