本文授權轉載來源刊登於 Semiengineering.com 網站文章(zhāng)《The Search For 5G MmWave Filters》
新的(de)選擇有很多(duō)，但到目前為止還沒有明(míng)確的(de)贏家。
蜂巢式電話技術利用(yòng)大(dà)量的(de)頻帶，為移動用(yòng)途提供不斷增加的(de)頻寬。其中的(de)每一個頻帶都需要透過濾波器將訊號與其他(tā)頻帶分(fēn)開，但目前用(yòng)於手機的(de)濾波器技術可(kě)能無法擴展到 5G 所規劃的(de)全部毫米波 (mmWave) 範圍。
「毫米波時代終究會到來，但不是現在」，Resonant 企業發展部副總裁 Mike Eddy 表示，「地球探測衛星服務的(de)頻率是 23.8GHz，僅僅略低於為 5G 部署的(de)毫米波頻段，所以必須對其進行有效的(de)過濾。」
到目前為止，這一切並沒有發生。FormFactor 射頻部門業務發展總監 Anthony Lord 表示：「表面聲波 (Surface acoustic wave ，SAW) 元件或體聲波 (Bulk acoustic wave ，BAW) 元件的(de)頻率不會超過 10GHz。」
其中也(yě)有一項挑戰。「這些濾波器中沒有一個可(kě)以在毫米級範圍內工作，它們最高(gāo)僅可(kě)以達到 6GHz 或 8GHz」，FormFactor 射頻產品組的(de)資深行銷總監 Tim Cleary 表示，「對此，業界還沒找到有效的(de)解決方案。」
在目前的(de)手機產品中，最常使用(yòng)的(de)是 SAW 和(hé) BAW 濾波器。雖然隨著進一步的(de)改進，它們可(kě)能會在一定程度上超過 6GHz 的(de)範圍，但距離毫米波設計針對的(de) 28GHz 至 70GHz 範圍仍有一些差距。儘管目前對於空間限制較小的(de)設備，有相應的(de)解決方案，但這些解決方案並不適用(yòng)於手機。因此，這一領域仍需大(dà)力發展。
頻帶數量急劇增長
隨著新的(de)手機技術相繼問世，更多(duō)的(de)頻帶被開放使用(yòng)。術語「頻帶」可(kě)以有不同的(de)含義，因為寬頻帶是進行分(fēn)配和(hé)拍(pāi)賣的(de)，而單個通(tōng)道指的(de)是寬頻帶的(de)子集。
小頻帶的(de)數量正在急劇增加。對於利用(yòng)頻分(fēn)雙工 (Frequency-domain duplexing , FDD) 的(de)通(tōng)道，有兩個相鄰的(de)子頻帶 (一個用(yòng)於發射，一個用(yòng)於接收) 被一個小間隙隔開，以防止幹擾。當使用(yòng)時域雙工 (Time-domain duplexing，TDD) 時，整個通(tōng)道就隻有一個單頻帶。
這些頻帶或子頻帶中的(de)每一個都需要一個帶通(tōng)濾波器。隨著頻帶的(de)數量激增，所需的(de)濾波器數量也(yě)呈爆炸式增長。如今的(de)手機可(kě)能會搭載超過 60 個濾波器。5G 技術隻會讓這個數字有增無減，從而為毫米波頻帶增加非常高(gāo)的(de)頻率。
理(lǐ)論上，一個帶通(tōng)濾波器會讓該頻帶內的(de)所有訊號通(tōng)過，並拒絕該頻帶外的(de)所有頻率。我們可(kě)以簡單地認為，它是將頻帶內的(de)訊號乘以 1，頻段外的(de)訊號乘以 0。然而，實際應用(yòng)中的(de)濾波器效果並不理(lǐ)想，帶來了(le)更多(duō)挑戰。
濾波器的(de)功能
現實中的(de)濾波器，並不是在頻帶邊緣「戛然而止」，相反，頻帶邊緣呈弧狀，衰減是傾斜的(de)而不是垂直的(de)。中心頻率、上限和(hé)下(xià)限的(de)截止頻率是濾波器的(de)關鍵屬性，截止頻率是訊號通(tōng)過能力下(xià)降 3dB 的(de)點 (對應於訊號功率下(xià)降一半的(de)點) 。超過 3dB 衰減的(de)斜率通(tōng)常稱為下(xià)擺 (skirt)，下(xià)降趨勢需要做(zuò)到非常陡峭。
雖然單獨設計這三個頻率 (中心、上限和(hé)下(xià)限) 可(kě)能是個好辦法，但在現實中，上限和(hé)下(xià)限截止頻率會一起移動，以便設計中心頻率和(hé)整體寬度，後者跟著中心頻率一起移動。而寬度通(tōng)常就是中心頻率的(de)百分(fēn)比。
設計更寬的(de)通(tōng)帶可(kě)能是一項更大(dà)的(de)挑戰，一些 5G 頻帶的(de)寬度可(kě)以達到中心頻率的(de) 20%。這給濾波器的(de)設計帶來了(le)很大(dà)的(de)壓力。
圖 1：簡化(huà)的(de)帶通(tōng)濾波器，顯示了(le)中心頻率 (f0)、通(tōng)帶的(de)下(xià)限 (fL) 和(hé)通(tōng)帶的(de)上限 (fH)。通(tōng)帶的(de)寬度為 B。來源：Inductiveload - Own work, Public Domain
在接收器的(de)前端，需要儘早過濾掉散雜訊號，防止其進入射頻鏈。這意味著在訊號離開天線之後就進行過濾。利用(yòng)支援波束轉向的(de)大(dà)規模多(duō)輸入 / 多(duō)輸出 (multiple-in / multiple-out ，MIMO) 技術，可(kě)以使用(yòng)天線元件陣列。在這種情況下(xià)，每個元件都需要一個濾波器。
「如今的(de)元件間距是基於毫米波的(de)間距，也(yě)就是說間距大(dà)約是 5 毫」，Eddy 表示，「所以必須要適應這個間距。」目前，這對毫米波來說是不可(kě)能的(de)，所以最終都是在訊號通(tōng)過混頻器之後進行過濾。
基站的(de)空間充足，能夠容納尺寸較大(dà)的(de)濾波器，但手機對尺寸有苛刻的(de)要求。在可(kě)預見的(de)未來，小型濾波器的(de)最佳頻率可(kě)能是 28GHz，因為這是手機可(kě)能使用(yòng)的(de)毫米波頻率。更高(gāo)的(de)頻率更有可(kě)能用(yòng)於塔與塔之間的(de)通(tōng)信，因為這些系統不像手機那樣受空間限制。
「對於基站之類的(de)使用(yòng)場景，我們將依賴陶瓷介質濾波器和(hé)金屬腔體濾波器」， Cadence 的(de) AWR 軟體技術行銷總監 David Vye 表示，「隻不過它們永遠無法滿足移動設備內部的(de)空間要求。」
在早期，28 GHz (或相近) 頻帶的(de)濾波需求更加寬鬆。「最初幾年我們常常聽到，手機中不會有任何毫米波濾波器」，3D Glass 首席技術官 Jeb Flemming 表示，「因為那時候還不會分(fēn)解頻段，主要使用(yòng)天線進行濾波。」
既然如此，將天線做(zuò)為一個濾波器可(kě)大(dà)緻滿足需求，但在某些時候，我們需要為天線元件準備真正的(de)濾波器。那麼，這些毫米波濾波器究竟如何製造？
現有的(de)濾波器技術
當今手機中的(de)大(dà)多(duō)數濾波器都使用(yòng)聲波技術，其中涉及到壓電材料，它們在電場影(yǐng)響下(xià)會發生輕微變形，物(wù)理(lǐ)變形後會產生電場。因此，電訊號可(kě)以轉換為機械振動，機械振動也(yě)可(kě)以轉換為電訊號。這些機械振動相當於晶體內的(de)聲波。
透過建立一種聲學共振結構，可(kě)以將輸入訊號施加到諧振器的(de)一端。該輸入訊號由許多(duō)不同頻率的(de)訊號組成——有些是用(yòng)於其他(tā)頻段的(de)訊號，而有些則是環境雜訊。濾波器的(de)首要任務是消除通(tōng)帶之外的(de)任何訊號。
通(tōng)帶內的(de)訊號頻率分(fēn)量將引起聲學共振，接著聲波濾波器檢測到這些聲學共振，並將其轉換回濾波器另一端的(de)電域。理(lǐ)想情況下(xià)，該輸出將由輸入訊號組成，訊號中所有不需要的(de)頻率都被清除。
這些聲波濾波器有很多(duō)優點，包括通(tōng)帶乾淨、尺寸非常小和(hé)有利的(de)成本結構，大(dà)批量生產也(yě)可(kě)降低成本。
在較低頻率下(xià)， SAW 濾波器占主導地位。使用(yòng)這些濾波器時，材料表面的(de)波被激發，並耦合到同一表面附近的(de)輸出端。
圖 2：一個簡化(huà)的(de) SAW 濾波器。來源：Matthias Buchmeier — Own work, Public Domain
對於更高(gāo)的(de)頻率，BAW 濾波器則占主導地位。與低頻率下(xià)的(de) SAW 相反，BAW 不是在材料表面激發波，而是利用(yòng)大(dà)量材料從頂部到底部產生共振，輸出電極位於下(xià)方。這需要更複雜的(de)處理(lǐ)，因此它們的(de)價格往往比 SAW 濾波器更昂貴。
圖 3：一個簡化(huà)的(de)獨立式 BAW (FBAR) 濾波器。來源：Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0
BAW 濾波器有兩種基本版本，區別在於內部駐波的(de)設置方式。一個版本需要從底部到頂部進行反射，並且使用(yòng)獨立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和(hé)空氣腔完成這項工作。
另一個版本使用(yòng)一系列看起來像聲學鏡 (類似於光(guāng)的(de)布拉格反射器) 的(de)層，被稱為固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。
圖 4：一個簡化(huà)的(de)固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。來源：Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0
SAW 和(hé) BAW 濾波器都是使用(yòng) MEMS 加工技術製造而成，但它們似乎在更高(gāo)的(de)頻率下(xià)會開始失效，這表明(míng)業界可(kě)能需要為毫米波頻段尋找新的(de)濾波器。
毫米波濾波器的(de)選擇
毫米波無線電訊號並不是新鮮事物(wù)。例如，雷達和(hé)微波裝置已經在使用(yòng)它們，但這些往往是隻能處理(lǐ)一兩個頻率的(de)大(dà)型裝置。對於 5G，必須對更多(duō)頻段進行更加精細的(de)過濾，而且要能把它們安裝到手機中。
SAW 和(hé) BAW 已經不被納入考慮範圍，但 Resonant 公司擁有 XBAR 技術，並聲稱該技術可(kě)以擴大(dà)聲學技術的(de)可(kě)用(yòng)範圍。該公司從頭開始重新設計 BAW 濾波器，使用(yòng)了(le)不同的(de)壓電材料——鈮酸鋰 (lithium niobate)，並將兩個觸點都放在頂端上，類似於 SAW。
但是，它與 SAW 的(de)主要區別在於，使用(yòng) XBAR 時，觸點不會有物(wù)理(lǐ)上的(de)移動。「使用(yòng) SAW，金屬棒會進行物(wù)理(lǐ)移動，也(yě)就意味著它們在金屬遷移過程中失去了(le)動力。」Eddy 指出。
圖 5：2019 年 世界移動通(tōng)信大(dà)會 (MWC) 上展示的(de) XBAR 原型，中間的(de)小方塊是篩檢程式。資料來源：Resonant
「當我們對這種結構進行建模時，XBAR 提供了(le) 5G 所需的(de)能量、頻寬和(hé)功率處理(lǐ)能力——尤其是當我們專注於 3 至 5 GHz 時」，Eddy 表示，「現在我們正在研究 5 到 7.1 GHz 的(de) WiFi，然後是 7 到 9 GHz 的(de)超寬頻。該模型可(kě)以用(yòng)於毫米波嗎？我們認為可(kě)以。」
XBAR 濾波器看起來很有前景，重點在於，它代表了(le)在這個頻率範圍內的(de)一種新方法。其他(tā)兩種眾所周知的(de)毫米波濾波器技術是波導和(hé)腔體濾波器。但與使用(yòng)聲波的(de) SAW 和(hé) BAW 濾波器不同，它們使用(yòng)電磁波進行共振，二者都有廣泛的(de)結構選擇，通(tōng)常用(yòng)於微波應用(yòng)。
這些諧振器的(de)尺寸通(tōng)常根據頻率範圍而定，尺寸或間距在四分(fēn)之一波長範圍內。頻率越高(gāo)，波長越短，濾波器越小。對於 5G 頻率，諧振器的(de)尺寸在縮小——但仍然不能夠裝入手機。
「有一種成為『波導腔』的(de)介質，它的(de)高(gāo)度和(hé)寬度決定了(le)可(kě)以透過它傳播的(de)能量」Cadence 的(de) Vye 表示，「低於該頻率，能量不會傳播，高(gāo)於某個頻率，就會出現調製問題。」
諧振器 (通(tōng)常作為柱子來實現) 的(de)使用(yòng)有助於減少不必要的(de)模式。「波導腔濾波器內部有一些柱子」， Vye 表示，「它的(de)作用(yòng)與陶瓷濾波器相同，特性是根據柱子的(de)尺寸，在特定頻率下(xià)停止或傳遞能量。諧振器之間的(de)物(wù)理(lǐ)尺寸將影(yǐng)響頻寬，而諧振器的(de)數量會影(yǐng)響衰減，即濾波器越多(duō)，衰減越快(kuài)。但這樣一來，就增加了(le)濾波器的(de)長度，也(yě)增加了(le)篩檢程式的(de)材料成本。」
圖 6：一個使用(yòng)柱子作為諧振器的(de)簡化(huà)波導濾波器。來源：維基百科用(yòng)戶 SpinningSpark
對基站而言，由於可(kě)以容納更大(dà)的(de)尺寸，該技術是適合的(de)；但對於手機而言，這種濾波器的(de)尺寸依然太大(dà)。
微帶濾波器是頻率高(gāo)達 30 GHz 時的(de)另一種選擇。透過這種設計，在 PCB 上創建微帶線以支援電磁共振。不過依然存在製造差異問題，而且 PCB 材料普遍被認為品質欠佳。
「PCB 的(de)厚度變化(huà)、材料介電常數的(de)變化(huà)、印刷時線寬的(de)變化(huà)以及溫度，都會改變通(tōng)帶頻率」，Eddy 表示。
此外還有其他(tā)選擇可(kě)供考慮。「材料特性確實會推動性能表現，但市場上的(de)材料屈指可(kě)數，」Flemming 表示，「這些 Q 值非常高(gāo)的(de)共振陶瓷材料很特殊，通(tōng)常價格更高(gāo)。一直以來，多(duō)層陶瓷帽 (multi-layer ceramic caps，MLCC) 是一種合理(lǐ)的(de)材料，但它們在 25 GHz 左右開始失效。」
整合基闆的(de)波導
毫米波頻率的(de)波長較短，因此在矽或其他(tā)材料中製作波導成為可(kě)能。「這幾乎就像 MEMS，因為正在創建這些通(tōng)道，微波訊號可(kě)以透過蝕刻區然後在矽晶片上進行金屬化(huà)。」Vye 解釋道。
3D Glass 透過光(guāng)刻工藝在玻璃而非矽中製作波導，透過暴露在紫外線下(xià)選擇性地將非晶玻璃轉化(huà)為晶體。被轉化(huà)的(de)結晶玻璃 (實際上是陶瓷) 更適合蝕刻，更便於創建通(tōng)孔特徵。
「陶瓷在酸中的(de)蝕刻速度比玻璃快(kuài) 60 倍」，Flemming 表示，「我們可(kě)以製作空腔，但採用(yòng)的(de)是定時蝕刻，因為這種陶瓷層有玻璃貫穿其中。」
可(kě)以透過這種方式製造電感器等結構，也(yě)可(kě)以用(yòng)這種方式創建帶有諧振器的(de)腔，用(yòng)於毫米波濾波。「如果將金屬線用(yòng)作諧振器，且幾乎蝕刻掉所有玻璃」，Flemming 表示，「那麼諧振器大(dà)部分(fēn)都將漂浮在空中。由於 5G 毫米波的(de)限制因素是材料，所以如果能去除材料，並使其在空中漂浮且堅固耐用(yòng)，就算(suàn)是成功了(le)。懸浮的(de)帶狀線可(kě)以達到 40 到 50 GHz 左右，而我們展示了(le) 10% 到 15% 的(de)頻寬，這是相當廣泛的(de)範圍。」
這些充滿空氣的(de)空腔可(kě)以延伸到更高(gāo)的(de)回程頻率。「我們正在 70 到 150 GHz 範圍內進行大(dà)量的(de)客戶開發」，他(tā)指出，「有人(rén)稱之為 5G，有人(rén)稱之為 6G。」
過去的(de)濾波器設計涉及多(duō)種製造環節以優化(huà)性能，但是變數太多(duō)，要求也(yě)很嚴格，不過現在我們可(kě)以使用(yòng)模擬工具，以便在構建濾波器之前對其結構進行優化(huà)。
這有助於解決細節問題，因為細節很重要。「如何封裝以及如何連接到電路的(de)其他(tā)部分(fēn)非常重要」 Cadence 的(de) Vye 表示，「人(rén)們放棄了(le)對設計進行經驗測試，依賴 EM (電磁模擬) 技術來進行設計。」
Cadence 此前與 3D Glass 合作，使用(yòng) AWR® Microwave Office® 進行設計和(hé)模擬，所以非常熟悉 3D Glass 的(de)工作。「在一個損耗非常低的(de)結構內有金屬諧振器，這個結構透過小玻璃基座懸浮在空中，形成非常小的(de)濾波器——儘管並不像聲波濾波器那樣小。」Cadence 的(de) Vye 表示。
結論
玻璃工藝的(de)經濟性十分(fēn)誘人(rén)。考慮到對體積的(de)需求，可(kě)以使用(yòng)面闆代替晶圓。一個 9'x9' 面闆可(kě)以裝下(xià)很多(duō)濾波器，因此，雖然如今的(de)工作是在 6 英寸和(hé) 8 英寸晶圓上進行，而且一些客戶希望轉向 12 英寸晶圓，但他(tā)們看到了(le)一條降低成本的(de)清晰路徑。
雖然還有一些令人(rén)興奮的(de)可(kě)能性即將出現，但這些可(kě)能性還沒有準備好進行商業生產，在濾波器技術領域尚未出現真正的(de)贏家。5G 手機中的(de)毫米波尚未完全實現，因此還有一些時間。但值得(de)注意的(de)是，業界目前面臨的(de)問題是制定一個可(kě)靠的(de)計畫和(hé)路線圖，而不是一些可(kě)能奏效的(de)想法。
文中提到的(de) AWR Microwave Office 軟體 深受領先製造商信賴，用(yòng)於加速高(gāo)頻電子產品的(de)開發。該軟體擁有直觀的(de)介面、創新的(de)設計自動化(huà)和(hé)強大(dà)的(de)諧波平衡電路模擬功能，可(kě)提高(gāo)工程效率並加快(kuài)設計週期。
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