隨著(zhù)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(lái)越多。這些帶寬中的每一個(gè)頻段都需要一個(gè)濾波器來(lái)將其信號與其他頻段分開(kāi)，但目前用于手機的濾波器技術(shù)可能無(wú)法擴展到 5G 中的整個(gè)毫米波 (mmWave) 范圍。

　　“毫米波時(shí)代終究會(huì )到來(lái)，但不是現在，”Resonant(一家美國公司，成立于 2012 年 1 月，為無(wú)線(xiàn)電頻率(簡(jiǎn)稱(chēng) RF )創(chuàng )建創(chuàng )新性濾波器設計，前身是移動(dòng)設備工業(yè))企業(yè)發(fā)展副總裁 Mike Eddy 說(shuō)。“地球探測衛星服務(wù)的頻率為 23.8 GHz，略低于為 5G 部署的毫米波頻段，因此必須對其進(jìn)行一些過(guò)濾。”

　　“聲表面波(Surface acoustic wave ，簡(jiǎn)稱(chēng) SAW)器件或體聲波(bulk acoustic wave ，簡(jiǎn)稱(chēng) BAW)器件的擴展不會(huì )超過(guò) 10 GHz，” FormFactor 射頻部門(mén)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監 Anthony Lord 說(shuō)。

　　“這些濾波器都沒(méi)有在毫米波范圍內工作，它們都超過(guò)了 6GHz 或 8GHz”，FormFactor 射頻產(chǎn)品組營(yíng)銷(xiāo)高級總監 Tim Cleary 表示，“業(yè)內沒(méi)有更好的解決方案，這是一個(gè)挑戰。”

　　當下手持設備行業(yè)中，SAW 和 BAW 濾波器占據主導地位。雖然它們可能隨著(zhù)進(jìn)一步改進(jìn)而擴展到 6 GHz 范圍之外，但距離毫米波設計需要運行的 28 至 70 GHz 范圍，還有很長(cháng)的路要走。

　　其實(shí)，在不受限于以體積大小的設備上，已經(jīng)存在一些解決方案——但這些方案并不適用于手機，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(cháng)

　　移動(dòng)通信技術(shù)每更新一代，都會(huì )有更多的頻段被開(kāi)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(mài)的，而單個(gè)信道代表的頻段是這些寬帶的子集。

　　這些小頻段的數量正在急劇增加。對于使用頻分雙工 ( frequency-domain duplexing，簡(jiǎn)稱(chēng) 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)保護頻段。當使用時(shí)分雙工 (time-domain duplexing，簡(jiǎn)稱(chēng) 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(zhù)頻段數量的激增，所需的濾波器數量也呈爆炸式增長(cháng)。比如說(shuō)，今天智能手機中的濾波器的數量已經(jīng)超過(guò)了 60 個(gè)，而 5G 時(shí)代這一數字將進(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(guò)頻帶內的所有信號，并將頻帶之外的所有信號“擋在門(mén)外”，可以簡(jiǎn)單地將其視為頻帶內的信號乘以 1，頻帶外的信號乘以 0。

　　不過(guò)，現實(shí)世界中的濾波器其實(shí)并不理想，面臨眾多挑戰。

　　現實(shí)中的濾波器，挑戰重重

　　現實(shí)中的濾波器，并不是在頻帶邊緣"戛然而止”，因為頻帶邊緣呈弧狀，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通過(guò)能力下降 3dB 的點(diǎn)(對應于信號功率下降一半的點(diǎn))。超過(guò) 3dB 衰減的斜率通常稱(chēng)為下擺，需要盡可能快地下降。

　　雖然獨立設計三個(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)使得設計中心頻率和整體寬度成為可能，因此中心頻率也跟著(zhù)一起移動(dòng)，而寬度通常就是中心頻率的百分比。

　　設計更寬的帶通濾波器可能更具挑戰性，一些 5G 頻段的寬度可能高達中心頻率的 20%，這給濾波器的設計帶來(lái)了很大的負擔。

　　在接收器的前端，需要盡可能早地過(guò)濾掉散雜信號，防止其進(jìn)入射頻鏈，這意味著(zhù)要在天線(xiàn)之后需要立即對信號進(jìn)行過(guò)濾。隨著(zhù)大規模的多入多出(MIMO)技術(shù)允許波束控制，大量的天線(xiàn)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(guò)濾器。

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

　　基站有足夠的空間來(lái)容納濾波器尺寸，但手機提出了苛刻的小尺寸要求。在可預見(jiàn)的未來(lái)，小型濾波器的最佳頻率可能是 28 GHz，因為這是手持設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塔通信，這些系統不像手機那樣受空間限制。

　　“對于基站之類(lèi)的東西，我們將依賴(lài)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(yíng)銷(xiāo)總監 David Vye 說(shuō)。“它們永遠無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)設備內部的空間要求。”

　　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(tīng)到，手機中不會(huì )有任何毫米波濾波器。因為那時(shí)候還不會(huì )分解頻段，主要使用天線(xiàn)進(jìn)行濾波。”

　　在這種情況下，將天線(xiàn)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(xiàn)元件準備真正的濾波器。那么，這些毫米波濾波器究竟如何制造?

　　廣泛應用于手機的聲波濾波器

　　當今手機中的大多數濾波器都使用聲波技術(shù)，這一技術(shù)設計壓電材料在電場(chǎng)影響下的輕微變形，以及物理變形后產(chǎn)生電場(chǎng)。因此，電信號可以轉換為機械振動(dòng)，機械振動(dòng)也可以轉換為電信號，這些機械振動(dòng)相當于晶體內的聲波。

　　通過(guò)建立一種聲學(xué)諧振結構，可以將輸入信號施加到諧振器的一端。該輸入信號由許多不同頻率的信號組成——有些是用于其他頻段的信號，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。

　　通帶內的信號頻率分量將引起聲學(xué)共振，接著(zhù)聲波濾波器檢測到這些聲學(xué)共振并將其轉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構有利，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。

　　對于更高的頻率，體聲波 (BAW) 濾波器則占主導地位，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，區別在于內部駐波的設置方式。

　　一個(gè)版本需要從底部到頂部進(jìn)行反射，并且使用獨立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和空氣腔完成這項工作。

　　另一個(gè)版本使用一系列看起來(lái)像聲學(xué)鏡(類(lèi)似于光的布拉格反射器)的層，被稱(chēng)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(kāi)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(wú)線(xiàn)電信號并不新鮮。例如，雷達和微波裝置已經(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。對于 5G，必須對更多頻段進(jìn)行更加的嚴格過(guò)濾，而且能讓它們裝入移動(dòng)手機。

　　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(chēng)該技術(shù)可以擴展聲學(xué)技術(shù)的可用范圍。該公司從頭開(kāi)始重新設計 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(lèi)似于 SAW。

　　不過(guò)與 SAW 的主要區別在于，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(zhù)它們在金屬遷移過(guò)程中失去了動(dòng)力，”Eddy 指出。

　　“當我們對這種結構進(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——尤其是當我們專(zhuān)注于 3 至 5 GHz 時(shí)，”他繼續說(shuō)道。“現在我們正在研究 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?我們認為可以。”

　　XBAR 濾波器看起來(lái)很有前途，但重點(diǎn)是，它代表了在這個(gè)頻率范圍內的一種新方法。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，都有廣泛的結構選擇，通常用于微波應用。

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

　　“有一種叫做‘波導腔’的介質(zhì)，它的高度和寬度決定了可以通過(guò)它傳播的能量，”Vye 說(shuō)。“低于該頻率，能量不會(huì )傳播，高于某個(gè)頻率，就會(huì )出現調制問(wèn)題。”

　　諧振器的使用有助于減少不必要的模式。“波導腔濾波器內部有一些柱子，”Vye 說(shuō)。“它的作用與陶瓷濾波器相同，它的特性是根據柱子的尺寸，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，而諧振器的數量會(huì )影響衰減，即濾波器越多，衰減越快。但這樣一來(lái)，就增加了濾波器的長(cháng)度，也增加了過(guò)濾器的材料成本。”

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

　　微帶濾波器是頻率高達 30 GHz 的另一種選擇。通過(guò)這種設計，在印刷電路板 (PCB) 上創(chuàng )建微帶線(xiàn)以支持電磁諧振。不過(guò)依然存在一個(gè)問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)， PCB 材料被普遍認為質(zhì)量不高。

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

　　此外還有其他考慮。Flemming 說(shuō)：“材料特性確實(shí)會(huì )推動(dòng)性能表現，但市場(chǎng)上的材料屈指可數。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，但它們在 25 GHz 左右開(kāi)始失效。”

　　誘人的玻璃工藝

　　由于毫米波頻率的波長(cháng)較短，因此在硅或其他材料中制作波導成為可能。“這幾乎就像 MEMS，因為你正在創(chuàng )建這些通道，微波信號可以通過(guò)蝕刻區然后在硅晶片上進(jìn)行金屬化，”Vye 解釋說(shuō)。

　　3D Glass 通過(guò)光刻工藝在玻璃而非硅中制作波導，通過(guò)暴露在紫外線(xiàn)下選擇性地將非晶玻璃轉化為晶體，被轉化的結晶玻璃(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(shuō)。“我們可以做空腔，但這是一個(gè)定時(shí)蝕刻，因為這種陶瓷層有玻璃貫穿其中。”

　　可以通過(guò)這種方式制造電感器等結構，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(xiàn)做諧振器，幾乎蝕刻掉了所有玻璃，” Flemming 說(shuō)。“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固耐用，就可以稱(chēng)之為取得成功。這條懸浮的帶狀線(xiàn)可以達到大約 40 到 50 GHz。我們展示了 10% 到 15% 的帶寬，這是相當廣泛的。”

　　這些充滿(mǎn)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 范圍內進(jìn)行大量的客戶(hù)開(kāi)發(fā)，”他指出。“有人稱(chēng)之為 5G，有人稱(chēng)之為 6G。”

　　過(guò)去的過(guò)濾器設計涉及多種制造以?xún)?yōu)化性能，但是變量太多，要求也很?chē)栏?，不過(guò)如今可以使用模擬工具，以便在構建濾波器之前對其結構進(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(shuō)。“人們放棄了對設計的經(jīng)驗測試，依賴(lài) EM (電磁模擬) 技術(shù)來(lái)進(jìn)行設計。”

　　Cadence 此前使用 Microwave Office 設計和模擬 3D Glass，因此熟悉 3D Glass 的工作。“在一個(gè)非常低損耗的結構內有金屬諧振器，這個(gè)結構由小玻璃基座懸浮的在空中，用來(lái)構建非常小的濾波器，盡管還沒(méi)有聲波濾波器那樣小，”Vye 說(shuō)。

　　結論

　　玻璃工藝的經(jīng)濟性是誘人的?？紤]到對體積的需求，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(hù)希望轉向 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，但這些可能性還沒(méi)有準備好進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)，在過(guò)濾技術(shù)領(lǐng)域尚未出現真正的贏(yíng)家。

　　5G 手機中的毫米波尚未完全實(shí)現，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(wèn)題是制定一個(gè)可靠的計劃和路線(xiàn)圖，而不是一些可能奏效的有趣想法。
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