寻找5G毫米波滤波器

蜂窝电话技术利用大量的频带为移动使用提供不断增加的带宽。每一个波段都需要一个滤波器来保持其信号与其他波段的分离，但目前用于手机的滤波器技术可能无法扩展到计划中的完整毫米波范围5克．

“毫米波将会发生，”谐振公司企业发展副总裁迈克·埃迪(Mike Eddy)说。“但是地球探测卫星服务的频率是23.8 GHz，略低于5G部署的毫米波频段，所以你必须做一些好的过滤。”

到目前为止，这还没有发生。“SAW设备或BAW设备的规模不能超过10千兆赫，”Anthony Lord说，该公司射频部门业务发展总监形状因子．

这是一个挑战。“这些过滤器都不能在毫米范围内工作。这些东西都达到了6或8千兆赫，”FormFactor射频产品组营销高级总监蒂姆·克利里(Tim Cleary)说。“这个行业没有太多好的答案。”

表面声波(SAW)和体声波(BAW)滤波器在当前手机中占主导地位。虽然经过进一步的改进，毫米波可能会在一定程度上超过6 GHz范围，但距离毫米波设计的28至70 GHz范围仍有很长的路要走。对于空间限制较小的实现，存在解决方案，但它们不适用于手机。这就是需要新的发展的地方。

带扩散
随着每一代新手机技术的发展，更多的频段被开放使用。“波段”一词可以有不同的含义，因为宽频带是分配和拍卖的，而单个通道代表的波段是这些宽频带的子集。

这些小乐队的数量正在急剧增加。对于使用频域双工(FDD)的信道，有两个相邻的子带——一个用于发射，一个用于接收——用一个小间隙隔开以防止干扰。当使用时域双工(TDD)时，整个信道只有一个带。

每个带或子带都需要带通滤波器。随着频带数量的激增，所需滤波器的数量也随之激增。你可以在今天的手机上看到60多个滤镜的报价。5G将提高这一数字，使毫米波频段的频率大幅提高。

理论上，带通滤波器将通过带内的所有信号，并拒绝带外的所有频率。我们可以简单地把它看成是一个信号在带内乘以1，在带外乘以0。然而，现实世界的过滤器并不理想，并提出了更多的挑战。

滤波器的功能
一个实用的滤波器在带的边缘没有一个锋利的截止点。相反，它是圆形的，下降是倾斜的而不是垂直的。关键属性是中心频率和上下限。截止点定义为通过信号的能力下降3db的点(对应于信号功率下降一半的点)。超过3db滚转的斜率通常被称为裙边，它需要尽可能急剧下降。

虽然独立地设计三个频率(中心、上部和下部)可能很好，但实际上，上部和下部截止值一起移动，这使得设计中心频率和整体宽度成为可能，它们将随着中心移动。宽度通常被指定为中心频率的百分比。

设计更宽的通频带可能更具挑战性，一些5G频段的宽度可能高达中心频率的20%。这为过滤器设计带来了重大负担。

图1:简化带通滤波器显示中心频率(f₀)，通带的低端(f_l)和通带的高端(f_H)．通带宽度为b感应负载-自己的工作，公共领域

在接收机的前端，需要尽早对信号进行滤波，以防止杂散信号进入射频链。这意味着在天线之后进行滤波。随着大规模多输入多输出(MIMO)技术允许波束转向，天线元件阵列将被使用。在这种情况下，每个元素都需要一个过滤器。

艾迪说:“元件间距现在是基于毫米波的间距，这意味着你在这些桥墩上的间距大约是5毫米。”“所以你必须适应这个空间。”今天，这对于毫米波来说是不可能的，所以任何过滤都是在混频器之后完成的。

基站有足够的空间在滤波器尺寸上更宽容，但手持设备对小尺寸的要求很高。在可预见的未来，小型滤波器的最佳频率可能是28 GHz，因为这是可能用于手机的毫米波频率。频率较高的信号更有可能用于塔对塔的通信，而且这些系统不像手机那样受空间限制。

AWR软件的技术营销总监David Vye说:“对于像基站这样的东西，我们将依赖陶瓷和基于腔的滤波器。节奏．“它们永远无法满足移动设备内部的空间要求。”

在早期，28ghz(或附近)频段的滤波需求可能比较宽松。3D Glass公司首席技术官杰布•弗莱明(Jeb Flemming)表示:“我们不断听到的消息是，在最初几年里，这款手机可能不会配备任何(毫米波)滤波器。”“他们将使用天线进行过滤，因为他们还不会破坏波段。”

在这种情况下，天线将是一个草率的过滤器，这已经足够好了。但在某些时候，我们需要天线元素的实际过滤器。问题是，这些毫米波滤波器将如何制造?

现有的过滤技术
如今手机中的大多数过滤器都使用声波技术。这涉及到压电材料，它在电场的影响下会轻微变形。相反，物理变形会产生电场。所以电信号可以转化为机械振动，反之亦然。这些机械振动在晶体中相当于声波。

通过设置一个声学共振结构，输入信号可以应用到谐振器的一端。输入信号将由许多不同的频率分量组成。一些是用于其他波段的信号，而另一些是环境噪声。过滤器的首要任务是消除通带之外的任何东西。

在通带内的信号的频率成分将引起声共振，然后可以检测到并转换回滤波器另一端的电域。理想情况下，输出将由清除了所有不需要的频率的输入信号组成。

这些声波滤波器具有非常干净的通带、非常小的尺寸和有利的成本结构等优点。大批量生产压低了这些成本。

在较低的频率，表面声波(SAW)滤波器占主导地位。通过这些滤波器，波沿材料表面被激发，并耦合到靠近同一表面的输出端。

图2:简化SAW滤波器。资料来源:由Matthias Buchmeier -个人作品，公共领域

对于较高的频率，采用体声波(BAW)滤波器。这不是在表面引起波，而是利用了材料的体积，从上到下与下面的输出电极产生共振。这需要更复杂的处理，所以它们往往比SAW滤波器更昂贵。

图3:一个简化的独立BAW (FBAR)滤波器。资料来源:由Khpsoi -自己的工作，CC BY-SA 4.0

BAW滤波器有两种基本版本，其区别与内部驻波的设置方式有关。需要从底部反射到顶部，而对于独立谐振器BAW (FBAR)滤波器，则需要一个空气腔来完成这项工作。

另一个版本使用了一系列看起来像声学镜子的层(类似于光的布拉格反射器)。这些被称为固体安装谐振器(SMR) BAW滤波器。

图4:简化的固体安装谐振器(SMR) BAW滤波器。资料来源:由Khpsoi -自己的工作，CC BY-SA 4.0

SAW和BAW滤波器均采用MEMS加工技术。但在更高频率时，它们似乎失去了动力。这表明该行业可能需要为毫米波波段找到一些新的东西。

mmWave选项
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。但那些往往是只处理一个或两个频率的大型装置。对于5G，必须对更多频段进行严格过滤，而且这些频段必须能够适应移动手机。

虽然SAW和BAW不被认为是可选的，但resonance拥有所谓的XBAR技术，它声称可以扩展声学技术的使用范围。该公司重新设计了BAW滤波器，使用了一种不同的压电材料——铌酸锂，并将两个触点放在顶部表面，类似于SAW。

然而，与SAW的主要不同之处在于，使用XBAR时触点不会物理移动。Eddy指出:“在SAW中，金属手指可以物理移动，这意味着它们无法进行金属迁移。”

图5:2019年MWC上展示的XBAR原型。滤镜本身就是中间的小方块。来源:共振

“当我们对这种结构建模时，它提供了5G所需的q、带宽和功率处理，特别是当我们专注于3到5 GHz时，”他继续说道。“现在我们看到的是5到7.1 GHz的WiFi。然后是7到9千兆赫的超宽带。你能把这个模型用在毫米波上吗?我们认为我们可以。”

虽然XBAR滤波器前景看好，但它们代表了该频率范围内的一种新方法。两种知名的毫米波滤波器技术是波导滤波器和腔滤波器。与SAW和BAW滤波器使用声波不同，这些滤波器使用电磁波进行共振。它们都有广泛的结构选择，通常用于微波应用。

这些谐振器的大小由感兴趣的频率设置，大小或间距在四分之一波长范围内。频率越高，波长越短，滤光片越小。对于5G频率，尺寸正在缩小，但还不足以装进手机。

“有一种介质叫做‘波导腔’，它的高度和宽度决定了可以通过它传播的能量，”Vye说。“低于这个频率能量就不会传播，超过一定频率就会出现模态问题。”

谐振器的使用——通常以柱的形式实现——有助于减少不必要的模式。“波导腔滤波器内部有这些柱，”Vye说。“它的工作原理与陶瓷滤波器相同，它的特性是根据柱子的尺寸在特定频率上停止或传递能量。谐振器之间的物理尺寸将影响带宽，谐振器的数量将影响滚转。谐振器越多，滚转就越快。但这样就增加了过滤器的长度，也增加了过滤器的材料成本。”

图6:使用柱作为谐振腔的简化波导滤波器。来源:维基百科用户SpinningSpark

对于基站来说，采用这种技术可能是适当的，因为可以容纳更大的尺寸。然而，对于手机来说，这些还是太大了。

微带滤波器是频率高达30 GHz的另一种选择。通过这种设计，微带线被创建在印刷电路板(PCB)上，以支持电磁谐振。然而，制造的变化是一个问题，通常PCB材料不被认为是高质量的。

“PCB的厚度变化将改变通带的频率，”Eddy说。“材料介电常数的变化将改变通带频率。线宽的变化，当你打印它的时候，会改变通带频率。它随温度而变化。”

还有其他的考虑。弗莱明说:“你的材料特性真的会推动你的性能，而市场上的材料真的很少。”“你有这些高q共振的陶瓷，它们很奇特，通常价格更高。从历史上看，mlcc(多层陶瓷帽)是一种合理的材料，但它们在25 GHz左右开始失去大量蒸汽。”

衬底集成波导
由于毫米波频率的波长更短，用硅或其他材料制造波导成为可能。Vye解释说:“这几乎就像MEMS，你要创建这些通道，微波信号可以通过蚀刻区域，然后在硅片上进行金属化。”

3D玻璃在玻璃而不是硅中创造结构，通过光刻工艺，通过暴露在紫外线下有选择性地将无定形玻璃转化为晶体。晶体玻璃-有效的陶瓷-最好蚀刻，允许通过孔的特征被创建。

“在酸性环境下，陶瓷的腐蚀速度比玻璃快60倍，”弗莱明说。“我们可以做空腔，但这是一种定时蚀刻，因为这种陶瓷结构一直贯穿玻璃。”

虽然可以用这种方式制作电感等许多结构，但这种方法也可以用于创建带有谐振器的毫米波滤波腔。“金属线是我的谐振器，但我几乎蚀刻掉了所有的玻璃，”弗莱明说。“所以我的共鸣器大部分时间都漂浮在空气中。由于5G毫米波的限制因素是材料，如果我能去除材料，让它变得坚固，那就是一场胜利。这个悬浮的条形线可以达到40到50千兆赫。我们展示的是10%到15%的带宽，这已经相当广泛了。”

这些充满空气的空腔可以延伸到更高的回程频率。他指出:“我们在70到150千兆赫范围内进行了大量的客户开发。“有人叫它5G，有人叫它6G。”

滤波器设计通常涉及多个制造通道，以优化性能。但是有足够多的变量，需求也足够困难，所以现在使用了模拟工具，以便在构建过滤器之前对结构进行优化。

这有助于处理细节，因为细节很重要。Vye说:“如何封装以及如何与电路的其他部分连接是非常重要的。“人们真的放弃了对设计的经验测试，而非常依赖EM(电磁模拟)技术来进行设计。”

Cadence使用Microwave Office与3D Glass进行设计和仿真，因此熟悉3D Glass的工作。Vye说:“你在一个非常低损耗的结构中有金属谐振器，它是由小玻璃基座悬浮的空气，来构建非常微小的过滤器，尽管没有声波那么小。”

结论
玻璃工艺的经济效益是诱人的。考虑到对体积的需求，可以使用面板代替晶圆片。一个9 ' x 9 '的面板可以装很多滤波器，所以，虽然今天的工作是在6 ' '和8 ' '的晶圆上，而且一些客户希望转向12 ' '的晶圆，他们看到了一条降低成本的清晰途径。

虽然有一些令人兴奋的可能性，但它们都还没有准备好投入商业生产。就过滤技术而言，目前还没有一个明确的赢家。毫米波尚未在5G手机中实现，因此还有一些时间。但是，油气行业面临的压力是制定一个可靠的计划和路线图，而不是一些有希望奏效的有趣想法。

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