谐振器為(wèi)5G提供高性能(néng)RF滤波器

2020-07-21

4G LTE网络的激增，新(xīn)5G网络的部署以及Wi-Fi的无处不在正在推动智能(néng)手机和其他(tā)移动设备必须支持的RF频段数量急剧增加（图1）。必须使用(yòng)滤波器将每个频段隔离开，以避免干扰，这会耗尽電(diàn)池寿命，降低数据速度并导致掉话。

1.在300 MHz至3 GHz的无線(xiàn)電(diàn)频谱内，突出显示的部分(fēn)是移动设备的2 GHz频带。

通过耦合基本构件或谐振器来构造滤波器，以通过所需的频率，同时抑制干扰频率。

那么，什么是谐振器？各种潜在的共振结构被用(yòng)来产生用(yòng)于不同应用(yòng)的滤波器（表1）。

离散電(diàn)感電(diàn)容（LC）滤波器是无源電(diàn)路，其中電(diàn)感器阻止高频信号并传导低频信号，而電(diàn)容器则相反。对于将功能(néng)集成到印刷電(diàn)路板层压板中的集成无源器件（IPD），它们非常紧凑。尽管这样的滤波器实现具有(yǒu)低通带损耗，但它们并不能(néng)在接近频率的范围内抑制潜在的干扰信号。

腔谐振器昂贵且笨重。但是，对于大功率蜂窝基站，由于它们能(néng)够处理(lǐ)非常大功率的信号（数十瓦），因此它们是首选的滤波器。

多(duō)层陶瓷滤波器的插入损耗非常低，但是潜在干扰信号的衰减也很(hěn)差。  另外，相对于IPD，这些设备很(hěn)大，尤其是在高度方面，这限制了模块的使用(yòng)。提出了用(yòng)于非常高的毫米波频带的这种滤波器。

从整體(tǐ)式滤波器到声波谐振器

早期的移动電(diàn)话使用(yòng)基于陶瓷的整體(tǐ)式过滤器，该过滤器提供了所需的性能(néng)特征（图2）。但是，与目前需要多(duō)达40至50个过滤器的電(diàn)话相比，这些電(diàn)话所需的过滤器相对较少。陶瓷整體(tǐ)式过滤器由于尺寸大且成本高，目前在现代手机中的使用(yòng)受到限制。

2.显示的是1994年Motorola手机中使用(yòng)的单块滤波器的示例。

随着声波谐振器的发展，现代手机RF架构以及智能(néng)手机的使用(yòng)激增。这些设备结合了低成本，小(xiǎo)巧的尺寸和性能(néng)特点，适合当前高达4G的智能(néng)手机的频率范围和信号功率范围。

基于压電(diàn)效应的声波谐振器由于其紧凑的尺寸而与移动電(diàn)话应用(yòng)非常有(yǒu)吸引力，因為(wèi)其紧凑的尺寸与各种介质中感兴趣频率的波長(cháng)有(yǒu)关（表2）。

由于结构内的不对称性，压電(diàn)效应存在于某些晶體(tǐ)中。例如，在图3所示的铌酸锂（LiNbO 3）晶格中，锂和铌离子从氧八面體(tǐ)的中心移位。

3.此图中的線(xiàn)表示铌酸锂晶格内的不对称性，从而导致压電(diàn)效应。

因此，当向该晶體(tǐ)施加電(diàn)压时，它将机械变形，从而将電(diàn)能(néng)转换為(wèi)机械能(néng)。当机械压缩或膨胀这种晶體(tǐ)时，情况恰恰相反。電(diàn)荷在晶體(tǐ)结构的相对面上形成，导致電(diàn)流在端子中流动。

交替发生的机械变形会产生声波，并以每秒(miǎo)4,000至12,000米的速度传播。取决于金属-压電(diàn)结构的细节，声波可(kě)被引发以在表面上流动或通过压電(diàn)體(tǐ)。实际上，即使在表面声波（SAW）和體(tǐ)声波（BAW）类别中，也存在一系列具有(yǒu)不同特性的声波 （图4）。

4.此图总结了BAW和SAW声波之间的差异。

為(wèi)了设计滤波器，通常将多(duō)个谐振器耦合在一起以形成通带，通常采用(yòng)“阶梯”配置的形式，该配置会交替使用(yòng)串联和并联谐振器。筛选器的主要特征包括：

带宽 通常被描述為(wèi)分(fēn)数带宽，因為(wèi)滤波器通带/中心频率的宽度表示為(wèi)频带频率的百分(fēn)比。这与声波谐振器的关键参数-耦合系数或k 2有(yǒu)关。

频谱较低端的频率需要更大的谐振器。在较高的频率下，尺寸变小(xiǎo)，这限制了可(kě)达到的产量。

损耗 是指信号通过滤波器时强度的降低。低损耗可(kě)很(hěn)大程度地提高信号效率，从而降低发射信号的信号功率。这进而延長(cháng)了電(diàn)池寿命。

移动信号的功率水平继续上升，因為(wèi)高频信号传播速度较低，并且需要更大的功率来覆盖和提高速度。这对滤波器提出了更高的可(kě)靠性要求。

 其中许多(duō)参数是设计，材料选择和制造过程的函数。但是，带宽是声谐振器的基本特性。对于声波谐振器，每个单独的谐振器都有(yǒu)两个“谐振” - 谐振和反谐振。这两个共振的频率间隔（表征為(wèi)耦合系数或k 2）确定了很(hěn)好滤波器带宽。

以下是说明关键声波原理(lǐ)的方程式：

其中 λ 是声波波長(cháng)，v是波速，f是谐振频率。

 

其中k 2是耦合系数，f r  是谐振频率，而f a 是反谐振频率。

从谐振器到滤波器，声波梯型滤波器的很(hěn)大可(kě)实现带宽受到与k 2有(yǒu)关的谐振-反谐振频率分(fēn)离的限制（图5）。

5.阻抗-频率模型显示了声波谐振器的谐振和反谐振（a）；通过级联多(duō)个谐振器，可(kě)以产生一个通带滤波器（实線(xiàn)，b）。

滤波器的性能(néng)受耦合系数的影响（较高的耦合会增加带宽）。谐振器的数量（更多(duō)的谐振器会以损失带宽為(wèi)代价增加带宽）；品质因数（更高的品质因数可(kě)降低损耗，尤其是在频带边缘）；和温度稳定性（图6）。

6.滤波器性能(néng)受耦合系数（较高的耦合会增加带宽；左上方），谐振器的数量（增加谐振器的数量会增加带宽而以损失為(wèi)代价；右上方），品质因数（较高的品质因数会降低损耗，尤其是在波段边缘；左下方）和温度稳定性（右下方）。

5G过滤器

為(wèi)5G手机的主要应用(yòng)包括增加流视频和流媒體(tǐ)相关的服務(wù)，如游戏或AR / VR - 所有(yǒu)这些都依赖于高带宽的设备。為(wèi)了显着提高无線(xiàn)宽带的容量和速度，需要更广泛的频谱范围以及可(kě)用(yòng)频谱的汇总。因此，5G具有(yǒu)比4G宽得多(duō)的频谱和更高的频率的新(xīn)频谱分(fēn)配。

宽带对于实现高数据速率至关重要。就瞬时带宽而言，仅在3 GHz以上可(kě)用(yòng)。因此，这些新(xīn)频段的滤波器要求与4G完全不同。5G需要数百兆赫的频谱和高于3 GHz的频率（而不是2 GHz左右的数十兆频谱），以及用(yòng)于保护此带宽的滤波器。

可(kě)以修改用(yòng)于3G和4G的声波谐振器（通过掺杂压電(diàn)效应并添加外部電(diàn)感器）以增加可(kě)实现的带宽。但是，这是以其他(tā)性能(néng)参数為(wèi)代价的。

传统的声波谐振器是為(wèi)前几代无線(xiàn)技术（2G，3G和4G）以及更窄的相关带宽开发的。当今的无線(xiàn)技术需要从一开始就针对当前要求进行优化的新(xīn)谐振结构。

XBAR是一种BAW声谐振器，不适用(yòng)于较窄带宽的滤波器，但它与5G完美匹配（图7）。我们仍处于5G的早期阶段；由于用(yòng)户流量较低，因此不再需要高性能(néng)过滤。但是，随着越来越多(duō)的用(yòng)户采用(yòng)5G，紧密接近的多(duō)个频率将迅速引起干扰问题。

7.不同的声波谐振结构显示了具有(yǒu)相对成本和性能(néng)的适用(yòng)于不同代的无線(xiàn)网络。

5G与Wi-Fi共存

5G和Wi-Fi将面临与蜂窝技术历史上任何其他(tā)企业不同的共存挑战。  n77和n79 5G频段与5 GHz Wi-Fi频段在频率上相邻，几乎没有(yǒu)保护带将它们分(fēn)开（图8）。新(xīn)的Wi-Fi 6（802.11ax）标准在n79频段附近运行，n79频段又(yòu)与n77频段相邻。

8.此处显示的是5G和Wi-Fi频率之间的小(xiǎo)型保护频带。

行业分(fēn)析公司Navian的一份报告总结了这种共存问题：“ Wi-Fi的5 GHz频段对智能(néng)手机至关重要，它位于4.5 GHz和6至7 GHz频段之间。如果要充分(fēn)利用(yòng)这些频率，则每个带宽都需要一个陡峭的滤波器。同样，对于n77和n79 5G频段，由于200 MHz的频段间隙太窄而无法充分(fēn)利用(yòng)，因此同时需要用(yòng)于这些频段的高性能(néng)滤波器。”

如图9所示，n77和n79之间仅存在200 MHz的间隔，而n79和5 GHz Wi-Fi 6频率之间仅存在150 MHz的间隔。这些频段的滤波器将需要具有(yǒu)较大的耦合系数和较高的Q或品质因数。XBAR技术可(kě)以同时阻止干扰信号以减轻5G和Wi-Fi频段之间的干扰，并通过每个频段的最大带宽，从而防止Wi-Fi信号渗入n79数据路径，反之亦然。

 

9.需要使用(yòng)滤波器来防止干扰并实现5G和Wi-Fi频段的共存操作。

那么，不良过滤对5G无線(xiàn)速度有(yǒu)何影响？这将如何影响5G用(yòng)户體(tǐ)验？干扰将大大减慢5G数据吞吐量的速度，其速度将取决于干扰的程度。使用(yòng)正确的5G过滤器时，一部3 GB影片的下载时间為(wèi)34秒(miǎo)，但如果没有(yǒu)该过滤器，则下载时间可(kě)能(néng)需要20分(fēn)钟或更長(cháng)时间（图10）。

 

10.这些是在各种无線(xiàn)带宽下3 GB文(wén)件的下载时间。

5G网络的带宽需求正在推动新(xīn)一代RF滤波器的发展，而后者又(yòu)需要新(xīn)一代的谐振器来提供吞吐量并提供信号共存。  声波谐振器已成為(wèi)领先的技术，因為(wèi)它们具有(yǒu)合适的性能(néng)范围，可(kě)以确定可(kě)為(wèi)这些应用(yòng)推导的很(hěn)好滤波器。5G设备可(kě)能(néng)需要多(duō)达100个滤波器，这对于优化谐振器结构以很(hěn)好匹配要求至关重要。