隨著蜂窩移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)帶寬不斷增加，頻段也越來越多。這些帶寬中的每一個(gè)頻段都需要一個(gè)濾波器來將其信號(hào)與其他頻段分開，但目前用于手機(jī)的濾波器技術(shù)可能無法擴(kuò)展到 5G 中的整個(gè)毫米波 (mmWave) 范圍。

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“毫米波時(shí)代終究會(huì)到來，但不是現(xiàn)在，”Resonant(一家美國公司，成立于 2012 年 1 月，為無線電頻率(簡稱 RF )創(chuàng)建創(chuàng)新性濾波器設(shè)計(jì)，前身是移動(dòng)設(shè)備工業(yè))企業(yè)發(fā)展副總裁 Mike Eddy 說。“地球探測(cè)衛(wèi)星服務(wù)的頻率為 23.8 GHz，略低于為 5G 部署的毫米波頻段，因此必須對(duì)其進(jìn)行一些過濾。”

“聲表面波(Surface acoustic wave ，簡稱 SAW)器件或體聲波(bulk acoustic wave ，簡稱 BAW)器件的擴(kuò)展不會(huì)超過 10 GHz，” FormFactor 射頻部門業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān) Anthony Lord 說。

“這些濾波器都沒有在毫米波范圍內(nèi)工作，它們都超過了 6GHz 或 8GHz”，F(xiàn)ormFactor 射頻產(chǎn)品組營銷高級(jí)總監(jiān) Tim Cleary 表示，“業(yè)內(nèi)沒有更好的解決方案，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。”

當(dāng)下手持設(shè)備行業(yè)中，SAW 和 BAW 濾波器占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然它們可能隨著進(jìn)一步改進(jìn)而擴(kuò)展到 6 GHz 范圍之外，但距離毫米波設(shè)計(jì)需要運(yùn)行的 28 至 70 GHz 范圍，還有很長的路要走。

其實(shí)，在不受限于以體積大小的設(shè)備上，已經(jīng)存在一些解決方案——但這些方案并不適用于手機(jī)，這就是目前需要發(fā)展的地方。

頻段激增，濾波器爆炸式增長

移動(dòng)通信技術(shù)每更新一代，都會(huì)有更多的頻段被開發(fā)使用。“頻段”一詞可以有不同的含義，比如寬帶(borad bands)是被分配和拍賣的，而單個(gè)信道代表的頻段是這些寬帶的子集。

這些小頻段的數(shù)量正在急劇增加。對(duì)于使用頻分雙工 ( frequency-domain duplexing，簡稱 FDD) 的信道，有兩個(gè)相鄰的鏈路——一個(gè)用于發(fā)送，一個(gè)用于接收——兩者之間存在一個(gè)保護(hù)頻段。當(dāng)使用時(shí)分雙工 (time-domain duplexing，簡稱 TDD) 時(shí)，整個(gè)信道只有一個(gè)頻段。

這些頻段或每一個(gè)子頻段中都需要一個(gè)帶通濾波器( band-pass filter)。隨著頻段數(shù)量的激增，所需的濾波器數(shù)量也呈爆炸式增長。比如說，今天智能手機(jī)中的濾波器的數(shù)量已經(jīng)超過了60個(gè)，而 5G 時(shí)代這一數(shù)字將進(jìn)一步提高，以便為毫米波頻段增加更高的頻率。

理論上，帶通濾波器可以通過頻帶內(nèi)的所有信號(hào)，并將頻帶之外的所有信號(hào)“擋在門外”，可以簡單地將其視為頻帶內(nèi)的信號(hào)乘以 1，頻帶外的信號(hào)乘以 0。

不過，現(xiàn)實(shí)世界中的濾波器其實(shí)并不理想，面臨眾多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)實(shí)中的濾波器，挑戰(zhàn)重重

現(xiàn)實(shí)中的濾波器，并不是在頻帶邊緣"戛然而止”，因?yàn)轭l帶邊緣呈弧狀，衰減是傾斜的而不是垂直的。

中心頻率、上限和下限的截止頻率是濾波器的關(guān)鍵屬性，截止值被定義為信號(hào)通過能力下降 3dB 的點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于信號(hào)功率下降一半的點(diǎn))。超過 3dB 衰減的斜率通常稱為下擺，需要盡可能快地下降。

雖然獨(dú)立設(shè)計(jì)三個(gè)頻率(中心、上限和下限)可能會(huì)很好，但實(shí)際上，上限和下限截止頻率一起移動(dòng)使得設(shè)計(jì)中心頻率和整體寬度成為可能，因此中心頻率也跟著一起移動(dòng)，而寬度通常就是中心頻率的百分比。

設(shè)計(jì)更寬的帶通濾波器可能更具挑戰(zhàn)性，一些 5G 頻段的寬度可能高達(dá)中心頻率的 20%，這給濾波器的設(shè)計(jì)帶來了很大的負(fù)擔(dān)。

在接收器的前端，需要盡可能早地過濾掉散雜信號(hào)，防止其進(jìn)入射頻鏈，這意味著要在天線之后需要立即對(duì)信號(hào)進(jìn)行過濾。隨著大規(guī)模的多入多出(MIMO)技術(shù)允許波束控制，大量的天線單元陣列被使用，在這種情況下，每個(gè)元素都需要一個(gè)過濾器。

“這些單元之間的間距基于毫米波，也就是說間距大約為 5 毫米，” Eddy 說。“適應(yīng)這一間距是必然。” 但目前對(duì)于毫米波來說是不可能的，因此任何過濾都是在混頻器之后完成。

基站有足夠的空間來容納濾波器尺寸，但手機(jī)提出了苛刻的小尺寸要求。在可預(yù)見的未來，小型濾波器的最佳頻率可能是 28 GHz，因?yàn)檫@是手持設(shè)備中可能使用的毫米波頻率，更高的頻率更有可能用于塔對(duì)塔通信，這些系統(tǒng)不像手機(jī)那樣受空間限制。

“對(duì)于基站之類的東西，我們將依賴陶瓷介質(zhì)濾波器和金屬腔體濾波器，” Cadence 的 AWR 軟件技術(shù)營銷總監(jiān) David Vye 說。“它們永遠(yuǎn)無法滿足移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的空間要求。”

在早期，28 GHz(或相近)頻段的濾波需求更加寬松。3D Glass 首席技術(shù)官 Jeb Flemming 表示：“最初幾年我們常常聽到，手機(jī)中不會(huì)有任何毫米波濾波器。因?yàn)槟菚r(shí)候還不會(huì)分解頻段，主要使用天線進(jìn)行濾波。”

在這種情況下，將天線做為一個(gè)馬馬虎虎的濾波器已經(jīng)足夠，但在某些時(shí)候，我們需要為天線元件準(zhǔn)備真正的濾波器。那么，這些毫米波濾波器究竟如何制造?

廣泛應(yīng)用于手機(jī)的聲波濾波器

當(dāng)今手機(jī)中的大多數(shù)濾波器都使用聲波技術(shù)，這一技術(shù)設(shè)計(jì)壓電材料在電場(chǎng)影響下的輕微變形，以及物理變形后產(chǎn)生電場(chǎng)。因此，電信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)也可以轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這些機(jī)械振動(dòng)相當(dāng)于晶體內(nèi)的聲波。

通過建立一種聲學(xué)諧振結(jié)構(gòu)，可以將輸入信號(hào)施加到諧振器的一端。該輸入信號(hào)由許多不同頻率的信號(hào)組成——有些是用于其他頻段的信號(hào)，而有些則是環(huán)境噪聲。濾波器的首要任務(wù)是消除通帶之外的任意信號(hào)。

通帶內(nèi)的信號(hào)頻率分量將引起聲學(xué)共振，接著聲波濾波器檢測(cè)到這些聲學(xué)共振并將其轉(zhuǎn)換回濾波器另一端的電域。理想情況下，該輸出將由所有被清除了不必要頻率的輸入信號(hào)組成。

這些聲波濾波器有很多優(yōu)點(diǎn)，包括通帶干凈、尺寸非常小和成本結(jié)構(gòu)有利，尤其是高產(chǎn)量的制造業(yè)降低了成本。

在較低頻率下，表面聲波 (SAW) 濾波器占主導(dǎo)地位，使用這些濾波器，材料表面的波被激發(fā)，并耦合到同一表面附近的輸出端。

對(duì)于更高的頻率，體聲波 (BAW) 濾波器則占主導(dǎo)地位，與低頻率下的 SAW 相反，不是在材料表面激發(fā)波，而是利用了大量材料從頂部到底部共振，輸出電極位于下方。這需要更復(fù)雜的處理，因此它們往往比 SAW 濾波器更昂貴。

BAW 濾波器有兩種基本版本，區(qū)別在于內(nèi)部駐波的設(shè)置方式。

• 一個(gè)版本需要從底部到頂部進(jìn)行反射，并且使用獨(dú)立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和空氣腔完成這項(xiàng)工作。
• 另一個(gè)版本使用一系列看起來像聲學(xué)鏡(類似于光的布拉格反射器)的層，被稱為固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。

SAW 和 BAW 濾波器都是使用 MEMS 加工技術(shù)制造的，但它們似乎在更高的頻率下開始失效了，這表明該行業(yè)可能需要為毫米波頻段尋找新的濾波器。

毫米波濾波器的三種選擇

毫米波無線電信號(hào)并不新鮮。例如，雷達(dá)和微波裝置已經(jīng)在使用它們，但這些往往是只能處理一兩個(gè)頻率的大型裝置。對(duì)于 5G，必須對(duì)更多頻段進(jìn)行更加的嚴(yán)格過濾，而且能讓它們裝入移動(dòng)手機(jī)。

雖然 SAW 和 BAW 已經(jīng)不被納入考慮范圍，但 Resonant 擁有所謂的 XBAR 技術(shù)，并聲稱該技術(shù)可以擴(kuò)展聲學(xué)技術(shù)的可用范圍。該公司從頭開始重新設(shè)計(jì) BAW 濾波器，使用不同的壓電材料——鈮酸鋰——并將兩個(gè)觸點(diǎn)都放在頂端上，類似于 SAW。

不過與 SAW 的主要區(qū)別在于，使用 XBAR 時(shí)，觸點(diǎn)不會(huì)有物理上的移動(dòng)。“使用 SAW，金屬棒會(huì)進(jìn)行物理移動(dòng)，也就意味著它們?cè)诮饘龠w移過程中失去了動(dòng)力，”Eddy 指出。

“當(dāng)我們對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，XBAR 提供了 5G 所需的能量、帶寬和功率處理能力——尤其是當(dāng)我們專注于 3 至 5 GHz 時(shí)，”他繼續(xù)說道。“現(xiàn)在我們正在研究 5 到 7.1 GHz 的 WiFi，然后是 7 到 9 GHz 的超寬帶。該模型可以用于毫米波嗎?我們認(rèn)為可以。”

XBAR 濾波器看起來很有前途，但重點(diǎn)是，它代表了在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的一種新方法。其他兩種眾所周知的毫米波濾波器技術(shù)是波導(dǎo)和腔體濾波器，但與使用聲波的 SAW 和 BAW 濾波器不同，它們使用電磁波進(jìn)行共振，都有廣泛的結(jié)構(gòu)選擇，通常用于微波應(yīng)用。

這些諧振器的尺寸通常根據(jù)頻率范圍而定，尺寸或間距在四分之一波長范圍內(nèi)。頻率越高，波長越短，濾波器越小。對(duì)于 5G 頻率，諧振器的尺寸在縮小——但仍然不能夠裝入手機(jī)。

“有一種叫做‘波導(dǎo)腔’的介質(zhì)，它的高度和寬度決定了可以通過它傳播的能量，”Vye 說。“低于該頻率，能量不會(huì)傳播，高于某個(gè)頻率，就會(huì)出現(xiàn)調(diào)制問題。”

諧振器的使用有助于減少不必要的模式。“波導(dǎo)腔濾波器內(nèi)部有一些柱子，”Vye 說。“它的作用與陶瓷濾波器相同，它的特性是根據(jù)柱子的尺寸，在特定頻率下停止或傳遞能量。諧振器之間的物理尺寸將影響帶寬，而諧振器的數(shù)量會(huì)影響衰減，即濾波器越多，衰減越快。但這樣一來，就增加了濾波器的長度，也增加了過濾器的材料成本。”

對(duì)基站而言，由于可以容納更大的尺寸，該技術(shù)是適合的，但對(duì)于手機(jī)而言，這一濾波器依然太大。

微帶濾波器是頻率高達(dá) 30 GHz 的另一種選擇。通過這種設(shè)計(jì)，在印刷電路板 (PCB) 上創(chuàng)建微帶線以支持電磁諧振。不過依然存在一個(gè)問題，一般來說， PCB 材料被普遍認(rèn)為質(zhì)量不高。

“PCB 的厚度變化、材料介電常數(shù)的變化以及印刷時(shí)線寬的變化，都會(huì)改變通帶頻率。”Eddy 說。

此外還有其他考慮。Flemming 說：“材料特性確實(shí)會(huì)推動(dòng)性能表現(xiàn)，但市場(chǎng)上的材料屈指可數(shù)。這些非常高 Q 值的共振陶瓷材料特殊，通常價(jià)格更高。歷史上 MLCC(多層陶瓷帽)是一種合理的材料，但它們?cè)?25 GHz 左右開始失效。”

誘人的玻璃工藝

由于毫米波頻率的波長較短，因此在硅或其他材料中制作波導(dǎo)成為可能。“這幾乎就像 MEMS，因?yàn)槟阏趧?chuàng)建這些通道，微波信號(hào)可以通過蝕刻區(qū)然后在硅晶片上進(jìn)行金屬化，”Vye 解釋說。

3D Glass 通過光刻工藝在玻璃而非硅中制作波導(dǎo)，通過暴露在紫外線下選擇性地將非晶玻璃轉(zhuǎn)化為晶體，被轉(zhuǎn)化的結(jié)晶玻璃(實(shí)際上是陶瓷)更適合蝕刻，更便于創(chuàng)建通孔特征。

“陶瓷在酸中的蝕刻速度比玻璃快 60 倍，”Flemming 說。“我們可以做空腔，但這是一個(gè)定時(shí)蝕刻，因?yàn)檫@種陶瓷層有玻璃貫穿其中。”

可以通過這種方式制造電感器等結(jié)構(gòu)，也可以用這種方式創(chuàng)建帶有諧振器的腔，用于毫米波濾波。

“我用金屬線做諧振器，幾乎蝕刻掉了所有玻璃，” Flemming 說。“因此我的諧振器大部分都漂浮在空中。由于 5G 毫米波的限制因素是材料，如果我能去除材料，并使其在空中漂浮且堅(jiān)固耐用，就可以稱之為取得成功。這條懸浮的帶狀線可以達(dá)到大約 40 到 50 GHz。我們展示了 10% 到 15% 的帶寬，這是相當(dāng)廣泛的。”

這些充滿空氣的空腔可以延伸到更高的回程頻率。“我們正在 70 到 150 GHz 范圍內(nèi)進(jìn)行大量的客戶開發(fā)，”他指出。“有人稱之為 5G，有人稱之為 6G。”

過去的過濾器設(shè)計(jì)涉及多種制造以優(yōu)化性能，但是變量太多，要求也很嚴(yán)格，不過如今可以使用模擬工具，以便在構(gòu)建濾波器之前對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

“如何封裝以及如何連接到電路的其他部分非常重要，”Vye 說。“人們放棄了對(duì)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)測(cè)試，依賴 EM (電磁模擬) 技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。”

Cadence 此前使用 Microwave Office 設(shè)計(jì)和模擬 3D Glass，因此熟悉 3D Glass 的工作。“在一個(gè)非常低損耗的結(jié)構(gòu)內(nèi)有金屬諧振器，這個(gè)結(jié)構(gòu)由小玻璃基座懸浮的在空中，用來構(gòu)建非常小的濾波器，盡管還沒有聲波濾波器那樣小，”Vye 說。

結(jié)論

玻璃工藝的經(jīng)濟(jì)性是誘人的?？紤]到對(duì)體積的需求，可以使用面板代替晶圓。一個(gè) 9' x 9' 面板可以安裝很多濾波器，因此，雖然今天的工作是在 6 英寸和 8 英寸晶圓上進(jìn)行，而且一些客戶希望轉(zhuǎn)向 12 英寸晶圓，但他們看到了一條降低成本的清晰路徑。

雖然還有一些令人興奮的可能性即將出現(xiàn)，但這些可能性還沒有準(zhǔn)備好進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)，在過濾技術(shù)領(lǐng)域尚未出現(xiàn)真正的贏家。

5G 手機(jī)中的毫米波尚未完全實(shí)現(xiàn)，因此還有一些時(shí)間。但需要注意的是，行業(yè)目前面臨的問題是制定一個(gè)可靠的計(jì)劃和路線圖，而不是一些可能奏效的有趣想法。

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