5G技术和Resonant的射频滤波器

射频滤波器允许不同的频谱带，并通过避免碰撞和控制智能手机中的数据流来改善用户体验。Resonant 的滤波器旨在提高 5G 数据速率和带宽。

在接受 EE Times 采访时，Resonant 董事长兼首席执行官 George Holmes 和公司企业发展副总裁 Mike Eddy 解释了他们的新 XBAR 谐振器技术如何经过优化以创建适用于 5G 和 WiFi 网络的滤波器。Holmes 表示：“我们正在与多家 4G 和 5G 滤波器的射频模块和滤波器供应商合作，最近实现了一个重要的里程碑，这将导致关键 5G 射频滤波器的大规模生产。”

4G LTE 网络的普及、新 5G 网络的部署以及 Wi-Fi 的普遍性导致智能手机和其他移动设备必须支持的射频频段数量急剧增加。射频滤波器并不新鲜，没有它们我们的智能手机将无法工作。第一代智能手机的滤波器少于 10 个，因为它们没有很多射频信号。今天——使用 Wi-Fi、蓝牙、GPS 以及 2G、3G、4G 和现在的 5G——100 多个过滤器正试图防止进入手机的信号相互冲突。

然而，5G 网络还没有为黄金时段做好准备。挑战在于必须使用滤波器隔离每个 5G 频段，以避免干扰会耗尽电池寿命、降低数据速率并导致掉线。今天，过滤器技术无法提供这些新网络所承诺的性能。

“我们现在专注于 5G，因为要求与 4G 过滤器相比发生了巨大变化。如果你看一下 iPhone 11，就会发现有近 100 个声波滤波器；在 iPhone 11 中，需要在手机内处理的每个频段都需要一个滤波器。当我们看到 5G、更高的频率、更宽的带宽和更复杂的情况时，很明显市场需要一种不同类型的声波构建块来用于这些滤波器。因此，我们开发了技术来应对 5G 和 Wi-Fi 频段 5 GHz 和 6 GHz 以及 6 到 8 GHz 的超宽带 (UWB) 的新市场，”Eddy 说。

射频滤波器 

除了手机，物联网 (IoT) 是一组快速增长的连接设备，它们也使用射频滤波器进行通信。在最简单的层面上，RF 滤波器允许“好”信号能够进入 PCB 轨道，而其他信号则被拒绝以避免干扰。“没有射频滤波器的帮助，您将无法在手机上播放视频，甚至无法打电话或发短信，”Eddy 说。

图 1：射频滤波器市场。射频前端 (FE) 从 15B 增长到 26B。射频滤波器市场从 9B 增长到 15B（来源：Resonant）。点击上面的图片放大。

射频滤波器还将允许在医疗环境中工作的手术机器人通过与操作中心进行远程通信来彻底改变，消除任何可能被证明是灾难性的速度或性能故障。射频滤波器管理整个智能家居的控制，从开灯到启动真空吸尘器，它们正在被整合到现代电动汽车中，帮助自动驾驶技术。

早期的手机使用插入损耗非常低的陶瓷单块滤波器，但与今天的手机相比，这些手机基本上只需要较少的滤波器。陶瓷一体式过滤器由于尺寸大且成本高，现在在现代手机中受到限制。由于基于压电效应的声波谐振器的发展，现代手机射频架构和智能手机使用的爆炸式增长成为可能。

蜂窝无线电使用多个发射和接收链在多个频带中运行，每个链都有自己的一组放大器、开关和滤波器。每个信号链都依赖于一系列滤波器来消除不必要的干扰。几乎所有这些滤波器都是压电器件，使用光刻工艺制造以产生表面声波 (SAW)、体声波 (BAW) 或声谐振器 (AR) 结构。SAW 及其温控同类产品因其低成本而受到青睐。然而，它们在较高频率下的高信号损耗构成了一个严重的问题，因为它很难在远高于 2.5 GHz 的频率下运行。

“我们意识到这些类型的声学滤波器在高频和带宽方面存在困难。因此，我们提出了一种称为 XBAR 的结构，我们在单晶铌酸锂薄膜顶部使用金属指状物，在该压电体中建立体声波。这是一个非常不同的结构，它看起来像一个表面声波结构，但它实际上是一个体声波。它针对高频、宽带宽和高功率进行了完美优化。抱歉，这是一个冗长的解释，”埃迪说。

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要设计滤波器，必须将多个谐振器耦合在一起以形成通带。首先要考虑的参数是与声波谐振器的关键参数相关的带宽，即耦合系数。其他参数包括操作频率、损耗和功率水平。低损耗最大限度地提高了信号效率，从而延长了电池寿命。所有这些参数都是材料、设计和制造过程的函数（图 1 和图 2）。

图 2：这些声波滤波器技术是使用光刻工艺制造的（来源：EDN）。

5G 射频滤波器

XBAR 谐振器由一个单晶压电层组成，顶部表面有一个金属叉指换能器 (IDT)。金属迹线在压电层内激发体声波，主频率和耦合特性由压电的物理尺寸和特性决定。

XBAR 设备通过压电材料的主体而不是沿其表面传播信号，因此在高频和宽带宽下提供低插入损耗，适用于 5G。“XBAR 是 Resonant 使用我们的设计软件平台 ISN 开发的 BAW 谐振器结构。它采用标准 SAW 工艺制造，具有更高的本机工作频率 (3-7 GHz) 和 4 倍更宽的工作带宽，高达 24%，”Holmes 说。

他补充说：“我们使用数学模型来快速设计和模拟滤波器，特别是针对目标代工厂的能力，从而减少通过晶圆厂的转数。这些模拟基于针对目标规范预期的数千种变化，从而产生更好的结果。因此，需要很少的工程师以更少的轮次完成相同的工作，从而使这一过程更具成本效益。”

5G 手机依靠高带宽来获得高数据速率，因此需要更大的频谱部分。因此，5G 具有比 4G 更大且频率更高的新频谱分配，需要数百兆赫的频谱和 3 GHz 以上的频率——而不是 2 GHz 左右的数十兆赫频谱。

Resonant 强调 XBAR 非常适合 5G，随着用户的增长，干扰问题会出现，RF 滤波器将在优化 5G 传输中发挥重要作用。“使用 XBAR 开发的滤波器具有最大化效率所需的功能，包括高达 1,200MHz 的带宽、支持高于 3GHz 的频率以及低损耗，”Eddy 说。此外，随着 5G 的普及，利用现有工艺的低成本制造技术将成为所有射频滤波器制造商的一个重要方面。

审核编辑：刘清