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技術(shù)專題
諧振器為5G提供高性能RF濾波器
4G LTE網(wǎng)絡(luò)的激增，新5G網(wǎng)絡(luò)的部署以及Wi-Fi的無處不在正在推動(dòng)智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備必須支持的RF頻段數(shù)量急劇增加（圖1）。必須使用濾波器將每個(gè)頻段隔離開，以避免干擾，這會(huì)耗盡電池壽命，降低數(shù)據(jù)速度并導(dǎo)致掉話。
1.在300 MHz至3 GHz的無線電頻譜內(nèi)，突出顯示的部分是移動(dòng)設(shè)備的2 GHz頻帶。
通過耦合基本構(gòu)件或諧振器來構(gòu)造濾波器，以通過所需的頻率，同時(shí)抑制干擾頻率。
那么，什么是諧振器？各種潛在的共振結(jié)構(gòu)被用來產(chǎn)生用于不同應(yīng)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(hào)并傳導(dǎo)低頻信號(hào)，而電容器則相反。對(duì)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(shí)現(xiàn)具有低通帶損耗，但它們并不能在接近頻率的范圍內(nèi)抑制潛在的干擾信號(hào)。
腔諧振器昂貴且笨重。但是，對(duì)于大功率蜂窩基站，由于它們能夠處理非常大功率的信號(hào)（數(shù)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(hào)的衰減也很差。 另外，相對(duì)于IPD，這些設(shè)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(dòng)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(dá)40至50個(gè)過濾器的電話相比，這些電話所需的過濾器相對(duì)較少。陶瓷整體式過濾器由于尺寸大且成本高，目前在現(xiàn)代手機(jī)中的使用受到限制。
2.顯示的是1994年Motorola手機(jī)中使用的單塊濾波器的示例。
隨著聲波諧振器的發(fā)展，現(xiàn)代手機(jī)RF架構(gòu)以及智能手機(jī)的使用激增。這些設(shè)備結(jié)合了低成本，小巧的尺寸和性能特點(diǎn)，適合當(dāng)前高達(dá)4G的智能手機(jī)的頻率范圍和信號(hào)功率范圍。
基于壓電效應(yīng)的聲波諧振器由于其緊湊的尺寸而與移動(dòng)電話應(yīng)用非常有吸引力，因?yàn)槠渚o湊的尺寸與各種介質(zhì)中感興趣頻率的波長有關(guān)（表2）。
由于結(jié)構(gòu)內(nèi)的不對(duì)稱性，壓電效應(yīng)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(nèi)的不對(duì)稱性，從而導(dǎo)致壓電效應(yīng)。
因此，當(dāng)向該晶體施加電壓時(shí)，它將機(jī)械變形，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)機(jī)械壓縮或膨脹這種晶體時(shí)，情況恰恰相反。電荷在晶體結(jié)構(gòu)的相對(duì)面上形成，導(dǎo)致電流在端子中流動(dòng)。
交替發(fā)生的機(jī)械變形會(huì)產(chǎn)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(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，聲波可被引發(fā)以在表面上流動(dòng)或通過壓電體。實(shí)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(jié)了BAW和SAW聲波之間的差異。
為了設(shè)計(jì)濾波器，通常將多個(gè)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(huì)交替使用串聯(lián)和并聯(lián)諧振器。篩選器的主要特征包括：
帶寬 通常被描述為分?jǐn)?shù)帶寬，因?yàn)闉V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(guān)鍵參數(shù)-耦合系數(shù)或k 2有關(guān)。
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(dá)到的產(chǎn)量。
損耗 是指信號(hào)通過濾波器時(shí)強(qiáng)度的降低。低損耗可很大程度地提高信號(hào)效率，從而降低發(fā)射信號(hào)的信號(hào)功率。這進(jìn)而延長了電池壽命。
移動(dòng)信號(hào)的功率水平繼續(xù)上升，因?yàn)楦哳l信號(hào)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(duì)濾波器提出了更高的可靠性要求。
其中許多參數(shù)是設(shè)計(jì)，材料選擇和制造過程的函數(shù)。但是，帶寬是聲諧振器的基本特性。對(duì)于聲波諧振器，每個(gè)單獨(dú)的諧振器都有兩個(gè)“諧振” - 諧振和反諧振。這兩個(gè)共振的頻率間隔（表征為耦合系數(shù)或k 2）確定了很好濾波器帶寬。
以下是說明關(guān)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(shù)，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(shí)現(xiàn)帶寬受到與k 2有關(guān)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(jí)聯(lián)多個(gè)諧振器，可以產(chǎn)生一個(gè)通帶濾波器（實(shí)線，b）。
濾波器的性能受耦合系數(shù)的影響（較高的耦合會(huì)增加帶寬）。諧振器的數(shù)量（更多的諧振器會(huì)以損失帶寬為代價(jià)增加帶寬）；品質(zhì)因數(shù)（更高的品質(zhì)因數(shù)可降低損耗，尤其是在頻帶邊緣）；和溫度穩(wěn)定性（圖6）。
6.濾波器性能受耦合系數(shù)（較高的耦合會(huì)增加帶寬；左上方），諧振器的數(shù)量（增加諧振器的數(shù)量會(huì)增加帶寬而以損失為代價(jià)；右上方），品質(zhì)因數(shù)（較高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)降低損耗，尤其是在波段邊緣；左下方）和溫度穩(wěn)定性（右下方）。
5G過濾器
為5G手機(jī)的主要應(yīng)用包括增加流視頻和流媒體相關(guān)的服務(wù)，如游戲或AR / VR - 所有這些都依賴于高帶寬的設(shè)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(duì)于實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率至關(guān)重要。就瞬時(shí)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(shù)百兆赫的頻譜和高于3 GHz的頻率（而不是2 GHz左右的數(shù)十兆頻譜），以及用于保護(hù)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(yīng)并添加外部電感器）以增加可實(shí)現(xiàn)的帶寬。但是，這是以其他性能參數(shù)為代價(jià)的。
傳統(tǒng)的聲波諧振器是為前幾代無線技術(shù)（2G，3G和4G）以及更窄的相關(guān)帶寬開發(fā)的。當(dāng)今的無線技術(shù)需要從一開始就針對(duì)當(dāng)前要求進(jìn)行優(yōu)化的新諧振結(jié)構(gòu)。
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?nèi)蕴幱?/span>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(gè)頻率將迅速引起干擾問題。
7.不同的聲波諧振結(jié)構(gòu)顯示了具有相對(duì)成本和性能的適用于不同代的無線網(wǎng)絡(luò)。
5G與Wi-Fi共存
5G和Wi-Fi將面臨與蜂窩技術(shù)歷史上任何其他企業(yè)不同的共存挑戰(zhàn)。 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(hù)帶將它們分開（圖8）。新的Wi-Fi 6（802.11ax）標(biāo)準(zhǔn)在n79頻段附近運(yùn)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(hù)頻帶。
行業(yè)分析公司Navian的一份報(bào)告總結(jié)了這種共存問題：“ Wi-Fi的5 GHz頻段對(duì)智能手機(jī)至關(guān)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(gè)帶寬都需要一個(gè)陡峭的濾波器。同樣，對(duì)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(shí)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(shù)和較高的Q或品質(zhì)因數(shù)。XBAR技術(shù)可以同時(shí)阻止干擾信號(hào)以減輕5G和Wi-Fi頻段之間的干擾，并通過每個(gè)頻段的最大帶寬，從而防止Wi-Fi信號(hào)滲入n79數(shù)據(jù)路徑，反之亦然。
9.需要使用濾波器來防止干擾并實(shí)現(xiàn)5G和Wi-Fi頻段的共存操作。
那么，不良過濾對(duì)5G無線速度有何影響？這將如何影響5G用戶體驗(yàn)？干擾將大大減慢5G數(shù)據(jù)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(shí)，一部3 GB影片的下載時(shí)間為34秒，但如果沒有該過濾器，則下載時(shí)間可能需要20分鐘或更長時(shí)間（圖10）。
10.這些是在各種無線帶寬下3 GB文件的下載時(shí)間。
5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求正在推動(dòng)新一代RF濾波器的發(fā)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(hào)共存。 聲波諧振器已成為領(lǐng)先的技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂泻线m的性能范圍，可以確定可為這些應(yīng)用推導(dǎo)的很好濾波器。5G設(shè)備可能需要多達(dá)100個(gè)濾波器，這對(duì)于優(yōu)化諧振器結(jié)構(gòu)以很好匹配要求至關(guān)重要。