谐振的RF滤波器设计，以提高5G数据速率和带宽

文章作者:Maurizio Di Paolo Emilio

智能手机中嵌入的射频(RF)滤波器区分频谱频带并控制数据流，以避免冲突和不规则和缓慢的用户体验。简单地说，RF滤波器允许无线设备接受它们需要正确工作的数据信号，同时过滤掉不需要的信号。谐振公司创造了可以改进的滤波器设计万博投注网址5G数据速率和带宽。

在谐振的EE时间，乔治·福尔摩斯董事长兼首席执行官兼首席执行官和迈克·埃迪（Mi​​ke Eddy），并解释了他们的新XBAR谐振器技术如何优化以创建5G和WiFi网络的过滤器。“我们正在使用几个RF模块和4G的过滤器提供商，5G滤波器，最近实现了一个重要的里程碑，这将导致批量生产的5G RF滤波器，”福尔摩斯说。

4G LTE网络的扩散，新的5G网络的部署以及Wi-Fi的普遍性质导致智能手机和其他移动设备必须支持的RF频段数量的显着增加。射频过滤器不是新的，我们的智能手机就不会在没有它们的情况下工作。第一个智能手机少于10个过滤器，因为它们没有许多RF信号。如今 - 使用Wi-Fi，蓝牙，GPS和2G，3G，4G，现在为5G - 100多个过滤器正在尝试将信号保持在手机中互相碰撞。

然而，5G网络还没有完全准备好迎接黄金时段。挑战在于，每个5G频段必须使用过滤器隔离，以避免干扰消耗电池寿命、降低数据速率和导致通话中断。今天，过滤技术已经不能提供这些新网络所承诺的性能。

“我们现在关注的是5G，因为4G过滤器的要求已经发生了巨大变化。如果你看看iPhone 11，它有将近100个声波滤波器;在iPhone 11中，需要在手机内部处理的每个频带都需要一个滤波器。当我们看到5G，更高的频率，更宽的带宽，更复杂的时候，很明显市场需要一种不同的声波构建块来用于这些滤波器。因此，我们开发了技术来应对5G和Wi-Fi在5千兆赫和6千兆赫，以及6千兆赫和8千兆赫的超宽带(UWB)的新市场。”

射频滤波器
除了移动手持设备，物联网(IoT)是一套快速增长的连接设备，它们也使用射频滤波器进行通信。在最简单的水平上，RF滤波器允许“好的”信号能够进入PCB轨道，并拒绝其他信号以避免干扰。“如果没有射频滤波器的帮助，你就无法在手机上播放视频，甚至无法打电话或发短信，”艾迪说。

射频滤波器还将使在医疗环境中工作的手术机器人通过远程与操作中心通信而彻底改变，消除任何可能导致灾难性的速度或性能故障。射频滤波器管理着整个被控制的智能家居，从开灯到启动吸尘器，它们正被整合到现代电动汽车中，帮助自动驾驶技术。

早期的手机使用陶瓷整体滤波器，插入损耗非常低，但基本上这些手机需要相对较少的滤波器与今天的手机。陶瓷一体式过滤器由于体积大、成本高，目前在现代手机中受到限制。基于压电效应的声波谐振器的发展，使得现代手机射频架构和智能手机使用的爆炸式增长成为可能。

蜂窝无线电在多个频段使用多个发射和接收链，每个都有自己的一套放大器、开关和滤波器。每个信号链依靠一系列滤波器来消除不必要的干扰。几乎所有这些滤波器都是压电器件，使用光刻工艺制造声表面波(SAW)、体声波(BAW)或声谐振器(AR)结构。由于成本低，电锯及其温控电锯受到青睐。然而，它们在更高频率上的高信号损耗构成了一个严重的问题，因为很难在2.5 GHz以上运行。

“我们意识到，这些类型的声滤波器在高频率和带宽方面有困难。所以，我们想出了一种叫做XBAR的结构，我们在单晶铌酸锂薄膜上使用金属手指，在压电体中建立声波。这是一个非常不同的结构，它看起来有点像表面声波结构，但实际上它是一个体声波。它完美地优化了高频，宽带宽和高功率。对不起，这是一个冗长的解释，”艾迪说。

为了设计滤波器，多个谐振器必须耦合在一起形成通带。第一个要考虑的参数是与声波谐振器的关键参数耦合系数相关的带宽。其他参数包括运行频率、损耗和功率级。低损耗使信号效率最大化，延长电池寿命。所有这些参数都是材料、设计和制造过程的功能(图1和2)。

5G射频滤波器
XBAR谐振器由单晶、压电层和顶部表面的金属数字间换能器(IDT)组成。金属痕迹在压电层内激发出体声波，其主要频率和耦合特性由压电体的物理尺寸和性质决定。

XBAR器件通过压电材料的大块而不是沿其表面传播信号，因此在高频率和宽带宽下提供低插入损耗，适用于5G。“XBAR是利用我们的设计软件平台ISN开发的BAW谐振器结构。它采用标准的SAW工艺制造，具有更高的本地工作频率(3- 7ghz)和4倍宽的工作带宽，高达24%。”Holmes说。

他补充说，“我们使用数学模型来快速设计和模拟过滤器，特别是针对目标铸造厂的能力，这可以产生更少的转数。这些模拟基于针对目标规范的数千种变化产生更好的结果。因此，很少有工程师需要在更少的转数下完成同样的工作，这使得这一过程更具成本效益。”

5G手机依赖于高带宽来获得高数据速率，因此需要更大比例的频谱。因此，5G拥有比4G更大、频率更高的新频谱分配，需要数百兆赫的频谱和超过3ghz的频率，而不是大约2ghz的几十兆赫的频谱。

谐振强调，XBAR非常适合5G，随着用户的增长，将会出现干扰问题，射频滤波器将在优化5G传输中发挥重要作用。Eddy说:“使用XBAR开发的滤波器具有最大化效率所需的功能，包括带宽高达1200 mhz，支持高于3GHz的频率，以及低损耗。”此外，随着5G的普及，低成本制造技术、利用现有流程将成为所有RF滤波器制造商的一个重要方面。

本文最初发表于EE倍。

Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士学位，通信工程师和记者。他参与了引力波研究领域的多个国际项目。他与研究机构合作设计用于空间应用的数据采集和控制系统。他是施普林格出版的几本书的作者，以及许多关于电子设计的科学和技术出版物。