5G毫米波滤波器正面临众多挑战最佳方案何时面世？

2021-08-19 17:07:43来源：雷锋网

随着蜂窝移动技术的发展，移动带宽不断增加，频段也越来越多。这些带宽中的每一个频段都需要一个滤波器来将其信号与其他频段分开，但目前用于手机的滤波器技术可能无法扩展到 5G 中的整个毫米波 (mmWave) 范围。

“毫米波时代终究会到来，但不是现在，”Resonant(一家美国公司，成立于 2012 年 1 月，为无线电频率(简称 RF )创建创新性滤波器设计，前身是移动设备工业)企业发展副总裁 Mike Eddy 说。“地球探测卫星服务的频率为 23.8 GHz，略低于为 5G 部署的毫米波频段，因此必须对其进行一些过滤。”

“声表面波(Surface acoustic wave ，简称 SAW)器件或体声波(bulk acoustic wave ，简称 BAW)器件的扩展不会超过 10 GHz，”FormFactor 射频部门业务开发总监 Anthony Lord 说。

“这些滤波器都没有在毫米波范围内工作，它们都超过了 6GHz 或 8GHz”，FormFactor 射频产品组营销高级总监 Tim Cleary 表示，“业内没有更好的解决方案，这是一个挑战。”

当下手持设备行业中，SAW 和 BAW 滤波器占据主导地位。虽然它们可能随着进一步改进而扩展到 6 GHz 范围之外，但距离毫米波设计需要运行的 28 至 70 GHz 范围，还有很长的路要走。

其实，在不受限于以体积大小的设备上，已经存在一些解决方案 —— 但这些方案并不适用于手机，这就是目前需要发展的地方。

频段激增，滤波器爆炸式增长

移动通信技术每更新一代，都会有更多的频段被开发使用。“频段”一词可以有不同的含义，比如宽带(borad bands)是被分配和拍卖的，而单个信道代表的频段是这些宽带的子集。

这些小频段的数量正在急剧增加。对于使用频分双工 (frequency-domain duplexing，简称 FDD) 的信道，有两个相邻的链路 —— 一个用于发送，一个用于接收 —— 两者之间存在一个保护频段。当使用时分双工 (time-domain duplexing，简称 TDD) 时，整个信道只有一个频段。

这些频段或每一个子频段中都需要一个带通滤波器( band-pass filter)。随着频段数量的激增，所需的滤波器数量也呈爆炸式增长。比如说，今天智能手机中的滤波器的数量已经超过了 60 个，而 5G 时代这一数字将进一步提高，以便为毫米波频段增加更高的频率。

理论上，带通滤波器可以通过频带内的所有信号，并将频带之外的所有信号“挡在门外”，可以简单地将其视为频带内的信号乘以 1，频带外的信号乘以 0。

不过，现实世界中的滤波器其实并不理想，面临众多挑战。

现实中的滤波器，挑战重重

现实中的滤波器，并不是在频带边缘 " 戛然而止”，因为频带边缘呈弧状，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，截止值被定义为信号通过能力下降 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，需要尽可能快地下降。

虽然独立设计三个频率(中心、上限和下限)可能会很好，但实际上，上限和下限截止频率一起移动使得设计中心频率和整体宽度成为可能，因此中心频率也跟着一起移动，而宽度通常就是中心频率的百分比。

设计更宽的带通滤波器可能更具挑战性，一些 5G 频段的宽度可能高达中心频率的 20%，这给滤波器的设计带来了很大的负担。

在接收器的前端，需要尽可能早地过滤掉散杂信号，防止其进入射频链，这意味着要在天线之后需要立即对信号进行过滤。随着大规模的多入多出(MIMO)技术允许波束控制，大量的天线单元阵列被使用，在这种情况下，每个元素都需要一个过滤器。

“这些单元之间的间距基于毫米波，也就是说间距大约为 5 毫米，”Eddy 说。“适应这一间距是必然。”但目前对于毫米波来说是不可能的，因此任何过滤都是在混频器之后完成。

基站有足够的空间来容纳滤波器尺寸，但手机提出了苛刻的小尺寸要求。在可预见的未来，小型滤波器的最佳频率可能是 28 GHz，因为这是手持设备中可能使用的毫米波频率，更高的频率更有可能用于塔对塔通信，这些系统不像手机那样受空间限制。

“对于基站之类的东西，我们将依赖陶瓷介质滤波器和金属腔体滤波器，”Cadence 的 AWR 软件技术营销总监 David Vye 说。“它们永远无法满足移动设备内部的空间要求。”

在早期，28 GHz(或相近)频段的滤波需求更加宽松。3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming 表示：“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。”

在这种情况下，将天线做为一个马马虎虎的滤波器已经足够，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?

广泛应用于手机的声波滤波器

当今手机中的大多数滤波器都使用声波技术，这一技术设计压电材料在电场影响下的轻微变形，以及物理变形后产生电场。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。

通过建立一种声学谐振结构，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意信号。

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，该输出将由所有被清除了不必要频率的输入信号组成。

这些声波滤波器有很多优点，包括通带干净、尺寸非常小和成本结构有利，尤其是高产量的制造业降低了成本。

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

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

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。

SAW 和 BAW 滤波器都是使用 MEMS 加工技术制造的，但它们似乎在更高的频率下开始失效了，这表明该行业可能需要为毫米波频段寻找新的滤波器。

毫米波滤波器的三种选择

毫米波无线电信号并不新鲜。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的严格过滤，而且能让它们装入移动手机。

虽然 SAW 和 BAW 已经不被纳入考虑范围，但 Resonant 拥有所谓的 XBAR 技术，并声称该技术可以扩展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。

不过与 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，”Eddy 指出。

“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，”他继续说道。“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。”

XBAR 滤波器看起来很有前途，但重点是，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，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。

“有一种叫做‘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，”Vye 说。“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。”

谐振器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，”Vye 说。“它的作用与陶瓷滤波器相同，它的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。”

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，这一滤波器依然太大。

微带滤波器是频率高达 30 GHz 的另一种选择。通过这种设计，在印刷电路板 (PCB) 上创建微带线以支持电磁谐振。不过依然存在一个问题，一般来说，PCB 材料被普遍认为质量不高。

“PCB 的厚度变化、材料介电常数的变化以及印刷时线宽的变化，都会改变通带频率。”Eddy 说。

此外还有其他考虑。Flemming 说：“材料特性确实会推动性能表现，但市场上的材料屈指可数。这些非常高 Q 值的共振陶瓷材料特殊，通常价格更高。历史上 MLCC(多层陶瓷帽)是一种合理的材料，但它们在 25 GHz 左右开始失效。”

诱人的玻璃工艺

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，因为你正在创建这些通道，微波信号可以通过蚀刻区然后在硅晶片上进行金属化，”Vye 解释说。

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，”Flemming 说。“我们可以做空腔，但这是一个定时蚀刻，因为这种陶瓷层有玻璃贯穿其中。”

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。

“我用金属线做谐振器，几乎蚀刻掉了所有玻璃，”Flemming 说。“因此我的谐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坚固耐用，就可以称之为取得成功。这条悬浮的带状线可以达到大约 40 到 50 GHz。我们展示了 10% 到 15% 的带宽，这是相当广泛的。”

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，”他指出。“有人称之为 5G，有人称之为 6G。”

过去的过滤器设计涉及多种制造以优化性能，但是变量太多，要求也很严格，不过如今可以使用模拟工具，以便在构建滤波器之前对其结构进行优化。

“如何封装以及如何连接到电路的其他部分非常重要，”Vye 说。“人们放弃了对设计的经验测试，依赖 EM (电磁模拟) 技术来进行设计。”

Cadence 此前使用 Microwave Office 设计和模拟 3D Glass，因此熟悉 3D Glass 的工作。“在一个非常低损耗的结构内有金属谐振器，这个结构由小玻璃基座悬浮的在空中，用来构建非常小的滤波器，尽管还没有声波滤波器那样小，”Vye 说。

结论

玻璃工艺的经济性是诱人的。考虑到对体积的需求，可以使用面板代替晶圆。一个 9' x 9' 面板可以安装很多滤波器，因此，虽然今天的工作是在 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，在过滤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。但需要注意的是，行业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有趣想法。

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