谐振器为5G提供高性能RF滤波器

2020-07-21

4G LTE网络的激增，新5G网络的部署以及Wi-Fi的无处不在正在推动智能手机和其他移动设备必须支持的RF频段数量急剧增加（图1）。必须使用滤波器将每个频段隔离开，以避免干扰，这会耗尽电池寿命，降低数据速度并导致掉话。

1.在300 MHz至3 GHz的无线电频谱内，突出显示的部分是移动设备的2 GHz频带。

通过耦合基本构件或谐振器来构造滤波器，以通过所需的频率，同时抑制干扰频率。

那么，什么是谐振器？各种潜在的共振结构被用来产生用于不同应用的滤波器（表1）。

离散电感电容（LC）滤波器是无源电路，其中电感器阻止高频信号并传导低频信号，而电容器则相反。对于将功能集成到印刷电路板层压板中的集成无源器件（IPD），它们非常紧凑。尽管这样的滤波器实现具有低通带损耗，但它们并不能在接近频率的范围内抑制潜在的干扰信号。

腔谐振器昂贵且笨重。但是，对于大功率蜂窝基站，由于它们能够处理非常大功率的信号（数十瓦），因此它们是首选的滤波器。

多层陶瓷滤波器的插入损耗非常低，但是潜在干扰信号的衰减也很差。  另外，相对于IPD，这些设备很大，尤其是在高度方面，这限制了模块的使用。提出了用于非常高的毫米波频带的这种滤波器。

从整体式滤波器到声波谐振器

早期的移动电话使用基于陶瓷的整体式过滤器，该过滤器提供了所需的性能特征（图2）。但是，与目前需要多达40至50个过滤器的电话相比，这些电话所需的过滤器相对较少。陶瓷整体式过滤器由于尺寸大且成本高，目前在现代手机中的使用受到限制。

2.显示的是1994年Motorola手机中使用的单块滤波器的示例。

随着声波谐振器的发展，现代手机RF架构以及智能手机的使用激增。这些设备结合了低成本，小巧的尺寸和性能特点，适合当前高达4G的智能手机的频率范围和信号功率范围。

基于压电效应的声波谐振器由于其紧凑的尺寸而与移动电话应用非常有吸引力，因为其紧凑的尺寸与各种介质中感兴趣频率的波长有关（表2）。

由于结构内的不对称性，压电效应存在于某些晶体中。例如，在图3所示的铌酸锂（LiNbO 3）晶格中，锂和铌离子从氧八面体的中心移位。

3.此图中的线表示铌酸锂晶格内的不对称性，从而导致压电效应。

因此，当向该晶体施加电压时，它将机械变形，从而将电能转换为机械能。当机械压缩或膨胀这种晶体时，情况恰恰相反。电荷在晶体结构的相对面上形成，导致电流在端子中流动。

交替发生的机械变形会产生声波，并以每秒4,000至12,000米的速度传播。取决于金属-压电结构的细节，声波可被引发以在表面上流动或通过压电体。实际上，即使在表面声波（SAW）和体声波（BAW）类别中，也存在一系列具有不同特性的声波 （图4）。

4.此图总结了BAW和SAW声波之间的差异。

为了设计滤波器，通常将多个谐振器耦合在一起以形成通带，通常采用“阶梯”配置的形式，该配置会交替使用串联和并联谐振器。筛选器的主要特征包括：

带宽 通常被描述为分数带宽，因为滤波器通带/中心频率的宽度表示为频带频率的百分比。这与声波谐振器的关键参数-耦合系数或k 2有关。

频谱较低端的频率需要更大的谐振器。在较高的频率下，尺寸变小，这限制了可达到的产量。

损耗 是指信号通过滤波器时强度的降低。低损耗可很大程度地提高信号效率，从而降低发射信号的信号功率。这进而延长了电池寿命。

移动信号的功率水平继续上升，因为高频信号传播速度较低，并且需要更大的功率来覆盖和提高速度。这对滤波器提出了更高的可靠性要求。

 其中许多参数是设计，材料选择和制造过程的函数。但是，带宽是声谐振器的基本特性。对于声波谐振器，每个单独的谐振器都有两个“谐振” - 谐振和反谐振。这两个共振的频率间隔（表征为耦合系数或k 2）确定了很好滤波器带宽。

以下是说明关键声波原理的方程式：

其中 λ 是声波波长，v是波速，f是谐振频率。

 

其中k 2是耦合系数，f r  是谐振频率，而f a 是反谐振频率。

从谐振器到滤波器，声波梯型滤波器的很大可实现带宽受到与k 2有关的谐振-反谐振频率分离的限制（图5）。

5.阻抗-频率模型显示了声波谐振器的谐振和反谐振（a）；通过级联多个谐振器，可以产生一个通带滤波器（实线，b）。

滤波器的性能受耦合系数的影响（较高的耦合会增加带宽）。谐振器的数量（更多的谐振器会以损失带宽为代价增加带宽）；品质因数（更高的品质因数可降低损耗，尤其是在频带边缘）；和温度稳定性（图6）。

6.滤波器性能受耦合系数（较高的耦合会增加带宽；左上方），谐振器的数量（增加谐振器的数量会增加带宽而以损失为代价；右上方），品质因数（较高的品质因数会降低损耗，尤其是在波段边缘；左下方）和温度稳定性（右下方）。

5G过滤器

为5G手机的主要应用包括增加流视频和流媒体相关的服务，如游戏或AR / VR - 所有这些都依赖于高带宽的设备。为了显着提高无线宽带的容量和速度，需要更广泛的频谱范围以及可用频谱的汇总。因此，5G具有比4G宽得多的频谱和更高的频率的新频谱分配。

宽带对于实现高数据速率至关重要。就瞬时带宽而言，仅在3 GHz以上可用。因此，这些新频段的滤波器要求与4G完全不同。5G需要数百兆赫的频谱和高于3 GHz的频率（而不是2 GHz左右的数十兆频谱），以及用于保护此带宽的滤波器。

可以修改用于3G和4G的声波谐振器（通过掺杂压电效应并添加外部电感器）以增加可实现的带宽。但是，这是以其他性能参数为代价的。

传统的声波谐振器是为前几代无线技术（2G，3G和4G）以及更窄的相关带宽开发的。当今的无线技术需要从一开始就针对当前要求进行优化的新谐振结构。

XBAR是一种BAW声谐振器，不适用于较窄带宽的滤波器，但它与5G完美匹配（图7）。我们仍处于5G的早期阶段；由于用户流量较低，因此不再需要高性能过滤。但是，随着越来越多的用户采用5G，紧密接近的多个频率将迅速引起干扰问题。

7.不同的声波谐振结构显示了具有相对成本和性能的适用于不同代的无线网络。

5G与Wi-Fi共存

5G和Wi-Fi将面临与蜂窝技术历史上任何其他企业不同的共存挑战。  n77和n79 5G频段与5 GHz Wi-Fi频段在频率上相邻，几乎没有保护带将它们分开（图8）。新的Wi-Fi 6（802.11ax）标准在n79频段附近运行，n79频段又与n77频段相邻。

8.此处显示的是5G和Wi-Fi频率之间的小型保护频带。

行业分析公司Navian的一份报告总结了这种共存问题：“ Wi-Fi的5 GHz频段对智能手机至关重要，它位于4.5 GHz和6至7 GHz频段之间。如果要充分利用这些频率，则每个带宽都需要一个陡峭的滤波器。同样，对于n77和n79 5G频段，由于200 MHz的频段间隙太窄而无法充分利用，因此同时需要用于这些频段的高性能滤波器。”

如图9所示，n77和n79之间仅存在200 MHz的间隔，而n79和5 GHz Wi-Fi 6频率之间仅存在150 MHz的间隔。这些频段的滤波器将需要具有较大的耦合系数和较高的Q或品质因数。XBAR技术可以同时阻止干扰信号以减轻5G和Wi-Fi频段之间的干扰，并通过每个频段的最大带宽，从而防止Wi-Fi信号渗入n79数据路径，反之亦然。

 

9.需要使用滤波器来防止干扰并实现5G和Wi-Fi频段的共存操作。

那么，不良过滤对5G无线速度有何影响？这将如何影响5G用户体验？干扰将大大减慢5G数据吞吐量的速度，其速度将取决于干扰的程度。使用正确的5G过滤器时，一部3 GB影片的下载时间为34秒，但如果没有该过滤器，则下载时间可能需要20分钟或更长时间（图10）。

 

10.这些是在各种无线带宽下3 GB文件的下载时间。

5G网络的带宽需求正在推动新一代RF滤波器的发展，而后者又需要新一代的谐振器来提供吞吐量并提供信号共存。  声波谐振器已成为领先的技术，因为它们具有合适的性能范围，可以确定可为这些应用推导的很好滤波器。5G设备可能需要多达100个滤波器，这对于优化谐振器结构以很好匹配要求至关重要。