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5G 毫米波滤波器的最优选择是什么?

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本文转载自刊登于semiengineering网站文章《The Search For 5G MmWave Filters》。

新的选择有很多,但到目前为止还没有明确的赢家。

蜂窝电话技术利用大量的频带,为移动用途提供不断增加的带宽。其中的每一个频带都需要通过滤波器将信号与其他频带分离开,但目前用于手机的滤波器技术可能无法扩展到 5G 所规划的全部毫米波 (mmWave) 范围。

毫米波时代终究会到来,但不是现在。地球探测卫星服务的频率是 23.8GHz,仅仅略低于为 5G 部署的毫米波频段,所以必须对其进行有效的过滤。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy

到目前为止,这一切并没有发生:

表面声波(Surface acoustic wave ,SAW)器件或体声波(Bulk acoustic wave ,BAW)器件的频率不会超过 10GHz。——FormFactor 射频部门业务发展总监 Anthony Lord

其中也有一项挑战:

这些滤波器中没有一个可以在毫米级范围内工作,它们最高仅可以达到 6GHz 或 8GHz。对此,业界还没找到有效的解决方案。——FormFactor 射频产品组高级营销总监 Tim Cleary

在目前的手机产品中,最常使用的是SAW 和 BAW滤波器。虽然随着进一步的改进,它们可能会在一定程度上超过 6GHz 的范围,但距离毫米波设计针对的 28GHz 至 70GHz 范围仍有一些差距。尽管目前对于空间限制较小的设备,有相应的解决方案,但这些解决方案并不适用于手机。因此,这一领域仍需大力发展。

1. 频带数量急剧增长

随着新的手机技术相继问世,更多的频带被开放使用。术语“频带”可以有不同的含义,因为宽频带是进行分配和拍卖的,而单个信道指的是宽频带的子集。

小频带的数量正在急剧增加。对于利用频分双工 (Frequency-domain duplexing , FDD) 的信道,有两个相邻的子频带(一个用于发射,一个用于接收)被一个小间隙隔开,以防止干扰。当使用时分双工 (Time-domain duplexing,TDD) 时,整个信道就只有一个单频带。

这些频带或子频带中的每一个都需要一个带通滤波器。随着频带的数量激增,所需的滤波器数量也呈爆炸式增长。如今的手机可能会搭载超过 60 个滤波器。5G 技术只会让这个数字有增无减,从而为毫米波频带增加非常高的频率。

理论上,一个带通滤波器会让该频带内的所有信号通过,并拒绝该频带外的所有频率。我们可以简单地认为,它是将频带内的信号乘以 1,频段外的信号乘以 0。然而,实际应用中的滤波器效果并不理想,带来了更多挑战。

2. 滤波器的功能

现实中的滤波器,并不是在频带边缘”戛然而止”,相反,频带边缘呈弧状,衰减是倾斜的而不是垂直的。中心频率、上限和下限的截止频率是滤波器的关键属性,截止频率是信号通过能力下降 3dB 的点(对应于信号功率下降一半的点)。超过 3dB 衰减的斜率通常称为下摆 (skirt),下降趋势需要做到非常陡峭。

虽然单独设计这三个频率(中心、上限和下限)可能是个好办法,但在现实中,上限和下限截止频率会一起移动,以便设计中心频率和整体宽度,后者跟着中心频率一起移动。而宽度通常就是中心频率的百分比。

设计更宽的通带可能是一项更大的挑战,一些 5G 频带的宽度可以达到中心频率的 20%。这给滤波器的设计带来了很大的压力。

毫米波滤波器
图 1:简化的带通滤波器,显示了中心频率 (f0)、通带的下限 (fL) 和通带的上限 (fH)。通带的宽度为 B。来源:Inductiveload - Own work, Public Domain

在接收器的前端,需要尽早过滤掉散杂信号,防止其进入射频链路。这意味着在信号离开天线之后就进行过滤。利用支持波束转向的大规模多进多出 (multiple-in/multiple-out ,MIMO) 技术,可以使用天线元件阵列。在这种情况下,每个元件都需要一个滤波器。

如今的元件间距是基于毫米波的间距,也就是说间距大约是 5 毫米。所以必须要适应这个间距。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy

目前,这对毫米波来说是不可能的,所以最终都是在信号通过混频器之后进行过滤。

基站的空间充足,能够容纳尺寸较大的滤波器,但手机对尺寸有苛刻的要求。在可预见的未来,小型滤波器的最佳频率可能是 28GHz,因为这是手机可能使用的毫米波频率。更高的频率更有可能用于塔与塔之间的通信,因为这些系统不像手机那样受空间限制。

对于基站之类的使用场景,我们将依赖陶瓷介质滤波器和金属腔体滤波器,只不过它们永远无法满足移动设备内部的空间要求。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye

在早期,28 GHz(或相近)频带的滤波需求更加宽松:

最初几年我们常常听到,手机中不会有任何毫米波滤波器。因为那时候还不会分解频段,主要使用天线进行滤波。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming

既然如此,将天线做为一个滤波器可大致满足需求,但在某些时候,我们需要为天线元件准备真正的滤波器。那么,这些毫米波滤波器究竟如何制造?

3. 现有的滤波器技术

当今手机中的大多数滤波器都使用声波技术,其中涉及到压电材料,它们在电场影响下会发生轻微变形,物理变形后会产生电场。因此,电信号可以转换为机械振动,机械振动也可以转换为电信号。这些机械振动相当于晶体内的声波。

通过建立一种声学共振结构,可以将输入信号施加到谐振器的一端。该输入信号由许多不同频率的信号组成——有些是用于其他频段的信号,而有些则是环境噪声。滤波器的首要任务是消除通带之外的任何信号。

通带内的信号频率分量将引起声学共振,接着声波滤波器检测到这些声学共振,并将其转换回滤波器另一端的电域。理想情况下,该输出将由输入信号组成,信号中所有不需要的频率都被清除。

这些声波滤波器有很多优点,包括通带干净、尺寸非常小和有利的成本结构,大批量生产也可降低成本。

在较低频率下, SAW滤波器占主导地位。使用这些滤波器时,材料表面的波被激发,并耦合到同一表面附近的输出端。

毫米波滤波器

图 2:一个简化的SAW滤波器。来源:Matthias Buchmeier — Own work, Public Domain

对于更高的频率,BAW 滤波器则占主导地位。与低频率下的 SAW 相反,BAW 不是在材料表面激发波,而是利用大量材料从顶部到底部产生共振,输出电极位于下方。这需要更复杂的处理,因此它们的价格往往比 SAW 滤波器更昂贵。

毫米波滤波器

图 3:一个简化的独立式 BAW (FBAR) 滤波器。来源:Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0

BAW 滤波器有两种基本版本,区别在于内部驻波的设置方式。一个版本需要从底部到顶部进行反射,并且使用独立式谐振器 BAW (FBAR) 滤波器和空气腔完成这项工作。

另一个版本使用一系列看起来像声学镜(类似于光的布拉格反射器)的层,被称为固体安装谐振器 (SMR) BAW 滤波器。

毫米波滤波器

图 4:一个简化的固体安装谐振器 (SMR) BAW 滤波器。来源:Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0

SAW 和 BAW 滤波器都是使用 MEMS 加工技术制造而成,但它们似乎在更高的频率下会开始失效,这表明业界可能需要为毫米波频段寻找新的滤波器。

4. 毫米波滤波器的选择

毫米波无线电信号并不是新鲜事物。例如,雷达和微波装置已经在使用它们,但这些往往是只能处理一两个频率的大型装置。对于 5G,必须对更多频段进行更加精细的过滤,而且要能把它们安装到手机中。

SAW 和 BAW 已经不被纳入考虑范围,但 Resonant 公司拥有XBAR 技术,并声称该技术可以扩大声学技术的可用范围。该公司从头开始重新设计 BAW 滤波器,使用了不同的压电材料——铌酸锂,并将两个触点都放在顶端上,类似于 SAW。

但是,它与 SAW 的主要区别在于,使用 XBAR 时,触点不会有物理上的移动:

使用 SAW,金属棒会进行物理移动,也就意味着它们在金属迁移过程中失去了动力。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy

毫米波滤波器

图 5:2019 年 世界移动通信大会(MWC)上展示的 XBAR 原型,中间的小方块是过滤器。资料来源:Resonant

当我们对这种结构进行建模时,XBAR 提供了 5G 所需的能量、带宽和功率处理能力——尤其是当我们专注于 3 至 5 GHz 时。现在我们正在研究 5 到 7.1 GHz 的 WiFi,然后是 7 到 9 GHz 的超宽带。该模型可以用于毫米波吗?我们认为可以。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy

XBAR 滤波器看起来很有前景,重点在于,它代表了在这个频率范围内的一种新方法。其他两种众所周知的毫米波滤波器技术是波导和腔体滤波器。但与使用声波的 SAW 和 BAW 滤波器不同,它们使用电磁波进行共振,二者都有广泛的结构选择,通常用于微波应用。

这些谐振器的尺寸通常根据频率范围而定,尺寸或间距在四分之一波长范围内。频率越高,波长越短,滤波器越小。对于 5G 频率,谐振器的尺寸在缩小——但仍然不能够装入手机。

有一种成为‘波导腔’的介质,它的高度和宽度决定了可以通过它传播的能量。低于该频率,能量不会传播,高于某个频率,就会出现调制问题。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye

谐振器(通常作为柱子来实现)的使用有助于减少不必要的模式:

波导腔滤波器内部有一些柱子,它的作用与陶瓷滤波器相同,特性是根据柱子的尺寸,在特定频率下停止或传递能量。谐振器之间的物理尺寸将影响带宽,而谐振器的数量会影响衰减,即滤波器越多,衰减越快。但这样一来,就增加了滤波器的长度,也增加了过滤器的材料成本。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye

毫米波滤波器

图 6:一个使用柱子作为谐振器的简化波导滤波器。来源:维基百科用户 SpinningSpark

对基站而言,由于可以容纳更大的尺寸,该技术是适合的;但对于手机而言,这种滤波器的尺寸依然太大。

微带滤波器是频率高达 30 GHz 时的另一种选择。通过这种设计,在 PCB 上创建微带线以支持电磁共振。不过依然存在制造差异问题,而且 PCB 材料普遍被认为质量欠佳。

PCB 的厚度变化、材料介电常数的变化、印刷时线宽的变化以及温度,都会改变通带频率。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy

此外还有其他选择可供考虑:

材料特性确实会推动性能表现,但市场上的材料屈指可数。这些 Q 值非常高的共振陶瓷材料很特殊,通常价格更高。一直以来,多层陶瓷帽(multi-layer ceramic caps,MLCC)是一种合理的材料,但它们在 25 GHz 左右开始失效。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming

5. 集成基板的波导

由于毫米波频率的波长较短,因此在硅或其他材料中制作波导成为可能:

这几乎就像 MEMS,因为正在创建这些通道,微波信号可以通过蚀刻区然后在硅晶片上进行金属化。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye

3D Glass 通过光刻工艺在玻璃而非硅中制作波导,通过暴露在紫外线下选择性地将非晶玻璃转化为晶体。被转化的结晶玻璃(实际上是陶瓷)更适合蚀刻,更便于创建通孔特征。

陶瓷在酸中的蚀刻速度比玻璃快 60 倍,我们可以制作空腔,但采用的是定时蚀刻,因为这种陶瓷层有玻璃贯穿其中。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming

可以通过这种方式制造电感器等结构,也可以用这种方式创建带有谐振器的腔,用于毫米波滤波:

如果将金属线用作谐振器,且几乎蚀刻掉所有玻璃,那么谐振器大部分都将漂浮在空中。由于 5G 毫米波的限制因素是材料,所以如果能去除材料,并使其在空中漂浮且坚固耐用,就算是成功了。悬浮的带状线可以达到 40 到 50 GHz 左右,而我们展示了 10% 到 15% 的带宽,这是相当广泛的范围。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming

这些充满空气的空腔可以延伸到更高的回程频率:

我们正在 70 到 150 GHz 范围内进行大量的客户开发,有人称之为 5G,有人称之为 6G。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming

过去的滤波器设计涉及多种制造环节以优化性能,但是变量太多,要求也很严格,不过现在我们可以使用仿真工具,以便在构建滤波器之前对其结构进行优化。这有助于解决细节问题,因为细节很重要:

如何封装以及如何连接到电路的其他部分非常重要,人们放弃了对设计进行经验测试,依赖 EM(电磁模拟)技术来进行设计。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye

Cadence 此前与 3D Glass 合作,使用 AWR® Microwave Office® 进行设计和仿真,所以非常熟悉 3D Glass 的工作:

在一个损耗非常低的结构内有金属谐振器,这个结构通过小玻璃基座悬浮在空中,形成非常小的滤波器——尽管并不像声波滤波器那样小。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye

结论

玻璃工艺的经济性十分诱人。考虑到对体积的需求,可以使用面板代替晶圆。一个 9'x9' 面板可以装下很多滤波器,因此,虽然如今的工作是在 6 英寸和 8 英寸晶圆上进行,而且一些客户希望转向 12 英寸晶圆,但他们看到了一条降低成本的清晰路径。

虽然还有一些令人兴奋的可能性即将出现,但这些可能性还没有准备好进行商业生产,在滤波器技术领域尚未出现真正的赢家。5G 手机中的毫米波尚未完全实现,因此还有一些时间。但值得注意的是,业界目前面临的问题是制定一个可靠的计划和路线图,而不是一些可能奏效的想法。

审核编辑 黄宇

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