РЧ-фильтры для технологии 5G от Resonant

РЧ-фильтры для технологии 5G от Resonant

Выпуск 5(6729) от 11 марта 2021 г.
РУБРИКА: ДАТЧИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Радиочастотные (РЧ) фильтры, встроенные в смартфоны, необходимы для обеспечения правильной работы и фильтрации нежелательных сигналов. Недавно компания Resonant разработала новую линейку фильтров для сетей и средств связи 5G. Утверждается, что они могут улучшить скорость передачи данных и пропускную способность систем 5G.

Распространение сетей 4G LTE, развертывание новых сетей 5G и повсеместное распространение Wi--Fi приводят к резкому увеличению числа диапазонов радиочастот, которые должны поддерживать смартфоны и другие мобильные устройства. РЧ-фильтры сами по себе не новы – ​ими оснащены любые смартфоны. В первых смартфонах было менее 10 фильтров. Сегодня же – ​с Wi--Fi, Bluetooth, GPS и 2G-, 3G-, 4G-, а теперь и 5G-диапазонами – ​количество фильтров в каждом устройстве приближается к 100.

Сегодня основная проблема заключается в том, что каждая полоса 5G должна быть изолирована, чтобы избежать помех, сокращающих срок службы батареи, снижающих скорость передачи данных и провоцирующих потерю вызовов. Современные технологии фильтрации просто не способны обеспечить производительность, необходимую сетям 5G. Кроме того, 5G имеет гораздо более высокую частоту и гораздо более широкую полосу пропускания, поэтому рынку нужен другой тип «строительных блоков» для фильтров акустических волн. Была разработана технология для работы в диапазонах 5G и Wi--Fi на частотах 5 и 6 ГГц, а также в сверхширокополосных диапазонах от 6 до 8 ГГц.

Радиочастотные фильтры используются не только в мобильных телефонах, но и на быстрорастущем рынке приборов Интернета вещей. Все это позволяет отраслевым аналитикам прогнозировать к 2023 г. рост продаж РЧ-фильтров в 1,7 раза по сравнению с 2020‑м (рис. 1).



Источник: Resonant

Рисунок 1. Динамика и прогноз продаж РЧ-фильтров и входных РЧ-каскадов в 2007–2023 гг., млрд долл.


РЧ-фильтры позволят произвести революцию в использовании хирургических роботов за счет исключения любых сбоев в скорости или производительности удаленной связи с операционным центром, которые могут оказаться катастрофическими. Также РЧ-фильтры используются в средствах управления умным домом (от включения света до запуска пылесоса) и современных электромобилях (обеспечивая работу технологий автономного вождения).

В ранних сотовых телефонах использовались керамические моноблочные фильтры с очень низкими вносимыми потерями. В современных же телефонах применение керамических фильтров ограничено из-за их большого размера и высокой стоимости. Современные радиочастотные архитектуры сотовых телефонов и стремительный рост использования смартфонов стали возможными благодаря разработке резонаторов акустических волн, основанных на пьезоэлектрическом эффекте.

Сотовые радиостанции работают в нескольких частотных диапазонах, используя несколько цепочек передачи и приема, каждая со своим собственным набором усилителей, переключателей и фильтров. Каждая сигнальная цепочка основана на серии фильтров для устранения нежелательных помех. Почти все эти фильтры представляют собой пьезоэлектрические устройства, изготовленные с использованием процессов литографии. Они применяются для фильтрации поверхностной акустической волны (ПАВ), объемной акустической волны (ОАВ) или как структуры акустического резонатора (АР). Процессы на основе поверхностной акустической волны и их аналоги с регулируемой температурой пользуются популярностью из-за низкой стоимости. Однако присущие им значительные потери сигнала на более высоких частотах представляют собой серьезную проблему.

Специалисты компании Resonant разработали устройство под названием XBAR (laterally eXcited bulk acoustic wave resonator) – ​резонатор объемных акустических волн с поперечным возбуждением, в котором используются металлические структуры поверх тонкой пленки монокристаллического ниобата лития – ​для создания объемной акустической волны внутри этого пьезоэлектрика. Фактически это устройство совсем нового класса, которое выглядит как резонатор ПАВ, но на самом деле представляет собой резонатор ОАВ, идеально оптимизированный для работы с высокими частотами, широкой полосой пропускания и высокой мощностью.

Чтобы создать фильтр, необходимо объединить несколько резонаторов. Первый параметр, который следует учитывать, – ​это ширина полосы пропускания, связанная с ключевым параметром резонатора акустической волны, а именно коэффициентом связности. Другие параметры включают рабочие частоты, потери и уровни мощности. Низкие потери максимизируют эффективность сигнала, что продлевает срок службы батареи. Все эти параметры зависят от материала, конструкции и производственного процесса (рис. 2).



Источник: EDN

Рисунок 2. Типы фильтров акустических волн, производимых с использованием процессов литографии

* FBAR (film bulk acoustic wave resonator) – пленочный резонатор объемных акустических волн.


РЧ-фильтр для резонаторов 5G XBAR состоит из монокристаллического пьезоэлектрического слоя с металлическим встречно--штыревым преобразователем на верхней поверхности. Металлические структуры возбуждают объемную акустическую волну внутри пьезоэлектрического слоя, причем первичная частота и характеристики связи определяются физическими размерами и свой-ствами пьезоэлектрика.

Устройства XBAR распространяют сигнал через большую часть пьезоэлектрического материала, а не вдоль его поверхности, что обеспечивает низкие вносимые потери на высокой частоте и широкую полосу пропускания, подходящую для 5G. Эта резонаторная структура ОАВ фирмы Resonant разработана с использованием новейшей программной платформы проектирования ISN и изготавливается с использованием стандартных процессов на ПАВ с более высокой собственной рабочей частотой (3–7 ГГц) и в четыре раза большей рабочей полосой пропускания.

Для быстрого проектирования и моделирования фильтров специалисты Resonant использовали математические модели, учитывая в них возможности партнеров компании – ​кремниевых заводов. При моделировании проверяются тысячи вариантов, которые могут возникнуть относительно целевых спецификаций, что дает лучшие результаты.

Благодаря новой линейке изделий компания Resonant рассчитывает существенно улучшить свои конкурентные позиции. Отмечается, что резонаторы XBAR хорошо сочетаются с системами 5G и поэтому могут играть важную роль в оптимизации 5G-передач. Фильтры, разработанные с использованием XBAR, обладают полосой пропускания до 1200 МГц, поддерживают частоты выше 3 ГГц и характеризуются низкими потерями. Кроме того, технологии их производства недороги и совместимы с базовыми полупроводниковыми технологическими процессами. Это важный аспект для всех производителей, поскольку системы 5G получают все большее распространение.


Di Paolo Emilio Maurizio. Resonant’s RF Filters for 5G Technology. EE Times, February 9, 2021: https://www.eetimes.com/resonants-rf-filters-for


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ