重新思考聲波濾波器

作者: Lee Goldberg,EDN

雖然行動營運商希望我們所有人都相信5G就要閃亮登場,大家很快就能享受5G豐富的新業務,以及無限制的頻寬,但那些引領未來的設計師們卻看到了背後的困難…

雖然行動營運商希望我們所有人都相信5G就要閃亮登場,大家很快就能享受5G豐富的新業務,以及無限制的頻寬,但那些引領未來的設計師們卻看到了背後的困難。

例如,他們需要新的無線技術,讓複雜的混頻訊號有效地在三個很寬的頻段上進行傳輸。筆者曾經是一名電子工程師,知道創建工作於600MHz~42GHz頻段間不同頻寬的訊號鏈是完全可能的。換言之,以我在射頻(RF)設計方面的有限經驗,我相信,實現這些功能所需的成本和涉及的複雜性可能是5G應用的一大障礙。

我最近跟Resonan營運長Dylan Kelly進行了深入交流,他們公司推出的新型單片射頻濾波器技術給了我信心,我現在沒那麼悲觀了,因為它讓我知道了現代無線技術有多大的潛力。如果Resonant的產品能夠上市,他們的技術應該能創造出更簡單、尺寸更小、成本更低的射頻前端,而性能上完全沒有任何影響。

為了讓讀者理解我為什麼對此如此感興趣,先快速回顧目前大多數蜂巢訊號網路業務如何開展。

多年來,蜂巢無線設備在多個頻段上工作,使用多個Tx(發射)和Rx(接收)訊號鏈,每個訊號鏈都有自己的放大器、開關和濾波器。每個訊號鏈都採用一組濾波器來消除干擾,並將無線設備發射的能量控制在通道嚴格限定的範圍內。幾乎所有這些濾波器都是壓電元件,採用微影製程製造而成,包括表面聲波(SAW)、體聲波(BAW)或聲波諧振器(AR)等結構。

圖1 這些聲波濾波器採用微影製程製造而成。(圖片來源:Resonant)

採用SAW和溫控SAW技術的濾波器一直很受歡迎,因為這種技術十分成熟,使用量大,從而降低了成本。雖然SAW技術足以滿足許多應用的要求,但由於其選擇性一般、插入損耗較高,可能不適合某些應用。此外,SAW濾波器在頻率高於2.5GHz時很難正常工作。

BAW濾波器是最近才推出的一種濾波器,訊號是透過濾波器材料而不是在其表面進行傳播。這種濾波器的插入損耗要低得多(低於2dB),濾波性能也更好,隨著技術的發展現在還可以支援5G頻段。然而由於製程複雜,因此製造成本高昂,從而限制了其應用。製造一支全球漫遊的5G「世界手機」需要大量濾波器,因此必須考慮成本因素。

目前一支頂級4G/LTE智慧型手機需要50~90個這樣的小濾波器。5G手機支援的頻段要多得多,而且還要使用支援多個Rx/Tx訊號鏈的MIMO無線技術,這可能會使濾波器的數量增加5~10倍,甚至更多。此外,5G射頻模組中使用的濾波器需要更陡、更精確的截止特性,以便在通道周圍形成窄保護頻段,避免浪費太多可用頻寬。

Resonant可能使用一種稱之為叉指換能器(IDT)薄膜諧振器的結構解決了許多這些問題。該結構包含單晶體壓電膜,以及位於壓電膜上面的金屬IDT。Kelly解釋:「金屬痕跡會在薄膜內激起BAW,聲波的主頻和耦合特性是由壓電膜的物理尺寸和特性決定。」

Kelly表示,他們可以採用製造SAW濾波器的設備和製程來製造IDT-BAW,因此生產成本遠低於傳統BAW元件。而且,低容量結構能夠支援超過40GHz的工作頻率,足以支援5G應用。

圖2 IDT膜諧振器的截面圖顯示了其基本結構和IDT指激發的BAW。(圖片來源:Resonant)

Resonant還有另一個「秘密超能力」,即利用其製程可以把多個BAW濾波器放在同一基板上,並將其封裝為一個元件。在談到一個基板上究竟可以放置多少個濾波器時,Kelly沒有提供準確數目,但他明確表示,該技術可以讓5G通訊的複雜度接近高階4G/LTE的水準。

當我問為什麼其他製造商不提供類似的解決方案時,Kelly說,除了他們已經開發的IP,設計和精確模擬支援IDT濾波器的獨特結構也有很大難度,因此門檻較高。他認為公司能夠成功,很大原因是採用了自主研發的先進建模軟體,用以對濾波器進行高度精確的模擬。他解釋,該軟體能夠提前預測濾波器的性能,從而將產品快速投入生產,而不必再像以前那樣,開發SAW/BAW元件往往要在製造工廠反覆測試多達20多次。

通往5G之路仍然不會一帆風順,但起碼設計師已少了一個障礙。

(參考原文:Re-thinking acoustic wave filters,by Lee Goldberg)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年5月號雜誌

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