обзор технологии радиочастотных фильтров

ключом к выбору сигнала является использование радиочастотного фильтра, функция которой состоит в том, чтобы позволить сигналам желаемой частоты проходить при блокировании остальных. принцип работы фильтра состоит в том, чтобы генерировать резонанс на определенной частоте. это можно сравнить с качелями на детской площадке. чтобы шаг поднимался выше, вы должны синхронизировать время нажимания с частотой качания маятника и резонировать с частотой качания. точно так же правильно разработанная резонансная схема позволит пройти сигналы правильной частоты при подавлении других частот. количественная мера семафора, которое разрешено пройти, в отличие от подавления нежелательных частот, называется коэффициентом качества фильтра (или q). мы надеемся, что q -фактор будет максимально высоким. фактически, фильтра недостаточно, чтобы пройти одну частоту. сигналы будут проходить через определенный диапазон частот, который называется пропускной способностью фильтра. требования к полосе пропускания будут сузиться или расширяться в соответствии с беспроводным стандартом, обслуживаемым фильтром. примечательно, что следует также отметить, что размер фильтра пропорционален длине волны сигнала при резонансе в клеточной технологии. наиболее широко используемый фильтр в сотовой технологии - акустический фильтр, главным образом потому, что они небольшие по размеру и имеют высокий коэффициент q. акустический фильтр построен на специальном подложке, называемом пьезоэлектрическим субстратом (обычно литий -танталат, litao3), который преобразует механическое напряжение в электрическую энергию и наоборот. они очень компактны из -за феномена акустического резонанса на частотах gigahertz, из которых длина волны находится в пределах диапазона микрометра, в то время как длина волны фильтра на основе электромагнитного резонанса находится в диапазоне сантиметра. учитывая это, в последнем десятилетии индустрия акустических фильтров рф пережила огромный бум с ростом мобильной связи, а размер является ее основным движущим фактором в этой статье, в которой мы будем изучать различные технологии радиочастотных фильтра, включая новые разработки в будущем беспроводной коммуникации:

поверхностная акустическая волна имеет температурную компенсацию; объемная акустическая волна (fbar, smr, cmr, xmr); lc filter (ltcc, ipd); новые фильтры для беспроводного будущего.

 

i. фильтры поверхностной акустической волны (saw)

первоначально максимальные рабочие частоты мобильных телефонов 1g, 2g и 3g составляли приблизительно 2 ггц. группа 2g gsm составляла 900 мгц, полоса pcs составляла 1900 мгц, а полоса 1g телефона 1 составляла 2100 мгц, а полоса 5 - 850 мгц. сильные фильтры могут достичь качества около 800 на этих частотах, что является достаточным для мобильной связи. сильные фильтры реализованы на пьезоэлектрических подложках, которые имеют алюминиевые полосы на них. алюминиевые полоски имеют соболезную структуру, называемую междигитальными преобразователями (idt), которая может преобразовать электрические сигналы в механические вибрации, также известные как акустические волны. эти волны распространяются в боковом направлении вдоль поверхности пьезоэлектрического субстрата и сталкиваются с другими idt, размещенными на стратегических расстояниях с обеих сторон и отскочили назад. в соответствии с физической структурой этой конфигурации фильтры saw имеют определенные резонансные частоты.

поверхностная акустическая волна (saw) резонатор

 

по мере того, как рабочие частоты и полосы пропускания последующих беспроводных стандартов продолжают расти, становится все труднее изготовление пищевых фильтров с узкими размерами алюминия на пьезоэлектрических подложках и достигать пропускной способности фильтра, превышающая 100 мгц. другая проблема заключается в том, что производительность фильтра будет изменяться при изменении температуры, что может быть вызвано внешними факторами окружающей среды или внутренним рассеянием тепла в фильтре. чтобы преодолеть эти проблемы, необходимы улучшения в технологии фильтра saw. эти улучшения приняли различные методы, которые мы увидим в следующем тексте.

 

ii силовая фильтр температурной компенсации (tc)

отрицательный температурный коэффициент пьезоэлектрического субстрата составляет приблизительно от -20 ч/млн до -40 ч/м/с, что означает, что при повышении температуры частотная характеристика смещается до более низкой частоты. фильтры tc-saw преодолевают проблему дрейфа температуры, используя один из следующих двух методов:

1. тонкий слой диоксида кремния (sio2) осаждается в верхней части структуры idt. положительный температурный коэффициент sio2 компенсирует отрицательный отклик пьезоэлектрического субстрата, эффективно достигая частоты, близкого к 0 ч/млн/c. тем не менее, это приведет к дополнительной потере фильтра и ложным резонансным модам.

2. свяжите пьезоэлектрический субстрат с другим субстратом с более низким коэффициентом термического расширения (например, сапфир или диоксид кремния). но этот метод имеет меньшую стабильность температуры, чем предыдущий.

температурная стабильность является необходимой характеристикой стандарта 4g lte. полоса 40 (2,3 - 2,4 ггц) почти совпадает с нижним пределом wi -fi (2,401 - 2,483 ггц), и этот факт устанавливает строгие требования к точности фильтра. однако, поскольку беспроводная стандартная частота становится выше и выше, ширина алюминиевых электродов в idt становится меньше, а фильтры вскоре сталкиваются с проблемами увеличения потерь и электромиграции при высокой мощности передачи. хотя исследователи пробовали различные металлические сплавы, чтобы облегчить эту проблему, настало время принять новые технологии в настоящее время.

 

iii. фильтры с объемной акустической волной (baw)

фильтры baw решают проблемы расширения до более высоких частот и обработки более высоких требований к мощности. существует два метода создания акустических волновых фильтров, которые используют резонансное явление объемных пьезоэлектрических материалов:

1. тонкоплентный объемный акустический резонатор (fbar)

2. резонатор поверхностного крепления (smr)

 

iv тонкопленочная акустическая волновая резонатор (fbar)

принцип работы fbar прост и легко понять. он состоит из пьезоэлектрических материалов, зажатых между верхними и нижними электродами. когда к электродам прикладывается чередующее напряжение из -за обратного пьезоэлектрического эффекта, в подложке генерируется механическая деформация. это приводит к тому, что акустические волны, отражающие взад и вперед между двумя электродами, тем самым образуя резонатор. затем фильтр baw изготавливается путем соединения резонаторов вместе.

«тонкая пленка» в fbar относится к электродам и пьезоэлектрическому субстрату, реализованной в подвесной форме на поддерживающей подложке. поддерживающий субстрат выборочно запечатлевается под пьезоэлектрическим материалом, чтобы обеспечить бесплатную вибрацию (и резонанс) подложки. размещение высокого акустического импеданса между нижним электродом и воздухом позволяет акустическим волнам отражаться в пьезоэлектрическом материале, образуя резонатор.

основанный на пленке объемный акустический резонатор (fbar)

 

основываясь на этом принципе работы и использовании алюминия нитрида (aln) в качестве пьезоэлектрического материала, q-фактор, превышающий 2000, может быть достигнут в диапазоне 2-8 ггц, что делает его идеальным выбором для применений 4g lte/5g. fbar может адаптироваться к изменениям температуры и совместим с cmos -литейными процессами. это делает коммерциализацию технологии fbar attriveiv, которая, как многие крупные предприятия, такие как broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) и taiyo yuden, присоединяются к этой области.

метод увеличения рабочей частоты фильтров fbar для разжигания подложки aln. например, уменьшив его до 120 нм, fbar может работать при 24 ггц. другим методом для достижения высокочастотной работы является использование резонансных режимов более высокого порядка и резонаторов baw (obar) baw (obar).

недостаток фильтров baw трудно изготовить фильтры с большими полосами пропускания. пропускная способность в значительной степени зависит от характеристик пьезоэлектрического материала. чтобы увеличить пропускную способность, исследователи успешно допировали скандий в aln, тем самым увеличив пропускную способность более чем в два раза. сильные пьезоэлектрические материалы, такие как литий -нибат (linbo3 или ln), также показали хорошие результаты.

 

v. фиксированный резонатор (smr)

суть fbar заключается в присутствии высокого импеданса между электродом и границей воздуха, что позволяет отражать звуковые волны обратно к резонатору. тот же эффект может быть достигнут путем размещения так называемого акустического отражателя брэгга под пьезоэлектрическим материалом с верхними и нижними электродами.

акустический отражатель брэгга состоит из серии чередующихся слоев с высоким и низким импедансом (таких как вольфрамовый диоксид и диоксид кремния), поэтому каждая часть раздела сигнала отражается назад. чем больше слоев в bragg offeructor, тем выше импеданс, представленный отражателем из -за множественных отражений. размещая отражатель брэгга под нижним электродом резонатора baw, сигнал отражается обратно в пьезоэлектрический материал, что вызывает резонанс.

резонаторы с фиксированным модом (smr)

фильтр smr baw обладает выдающейся производительностью. например, qorvo сообщил о фильтре smr, который может обрабатывать 5 вт мощности радиочастота с пиком 40 вт. недавно они также сообщили о новом типе фильтра smr baw, в котором используется допинг скандия и поддерживает работу в диапазоне 1-8 ггц, охватывая полосы частот 5g и wi-fi 6e.

 

vi резонаторы режима профиля (cmr) и xmr

для фильтров fbar и smr baw можно достичь только одного резонанса на основе их физической структуры, что означает, что для каждой полосы рабочей частоты требуются различные чипы фильтров. с быстрого увеличения полос частот сотовой связи необходимо реализовать несколько полос рабочей частоты на одном чипе baw. технология резонатора профиля (cmr) baw разработана для многополосной работы.

физическая структура резонатора cmr baw представляет собой смесь структуры idt, используемой в пила -фильтрах, и нижний электрод, используемый в фильтрах baw. в результате многочисленные резонансные режимы могут быть возбуждены как в боковых (вдоль поверхности, таких как saw), так и в продольных (таких как baw) направлениях, реализуя одновременные резонансные моды на разных частотах. это позволяет дизайну многополосных резонаторов baw, которые могут одновременно обрабатывать несколько частотных полос.

в fbar, smr и cmr достижение широкой пропускной способности всегда было проблемой из -за ограниченного коэффициента связи. чтобы увеличить степень муфты и тем самым увеличить пропускную способность фильтра, исследователи обнаружили методы для объединения нескольких режимов эксплуатации. вместо чисто разработки металлической формы резонатора с точки зрения обзора, исследователи разрабатывают резонатор, глядя на его поперечное сечение и соответствующие режимы. благодаря сложной конструкции электродов фильтра baw, был разработан новый тип фильтра baw, называемый xmr для широкой пропускной способности. такие фильтры очень новые, все еще находятся в исследованиях и разработках.

 

vii. интегрированные элементы фильтры

когда мы вступаем в эру 5g new radio (nr), полоса полосы частот n77-n79 в десять раз больше, чем у предыдущих поколений. из -за относительно низкой связи с помощью пьезоэлектрических материалов, технологии saw и baw всегда имели проблему чрезмерной полосы пропускания. чтобы решить эту проблему, сегодняшние смартфоны 5g обычно используют интегрированные элементы lc-фильтры. индукторы (l) и конденсаторы (c) реализованы на многослойных субстратах, таких как керамика с низкой температурой (ltcc) или интегрированные пассивные устройства (ipd). значения q таких пассивных устройств на подложке не высоки. следовательно, эти фильтры не имеют хорошей селективности. это все еще можно допустить по двум причинам:

1. занятие полос частот 5g по -прежнему не так плотно, как у предыдущих поколений, поэтому более низкая селективность фильтра может быть приемлемой.

2. можно достичь широкой пропускной способности фильтра, требуемой 5g. поскольку saw/baw не работают хорошо в этом варианте использования, нет другого варианта.

основным недостатком создания фильтров ltcc является то, что реализация пассивных элементов с использованием многослойного метода приводит к общей толщине, которая слишком большая и не подходит для тонких современных смартфонов. более того, низкая терпимость в производственном процессе не может привести к хорошим показателям доходности.

ipd является более продвинутой технологией, особенно при внедрении на стеклянных субстратах. производственная толерантность более строгая, толщина меньше, и могут быть достигнуты конденсаторы с металлическим металлическим металлом (mim) (mim), что обеспечивает более компактные и строго контролируемые фильтры. если используется gaas ipd, можно интегрировать фильтр с активной схемой. однако с ростом сотовых технологий wi -fi 7 и 6g ограниченное значение q и плохая селективность станут проблемами в будущем. в будущем потребуются более сложные фильтры.

 

viii. перспективы на будущее

есть еще много инновационных методов, которые нужно изучать и исследовать в будущем технологии радиочастотных фильтров. мы все еще далеки от достижения всех целей. тем не менее, вот несколько захватывающих достижений. ультра-высокая производительность (ihp) sad: murata продемонстрировал пил-фильтр со значением q, превышающим 4000 (более чем в 4 раза выше, чем обычная пила) и частота работы более 5 ггц. в настоящее время изучаются различные комбинации поддерживающих субстратов и пьезоэлектрических материалов, чтобы прорваться через пределы производительности.

xbar: resonant inc. была приобретена murata в 2022 году, которая обладает запатентованной технологией xbar (уникальная комбинация технологий saw и fbar baw) и, как ожидается, предоставит акустические фильтры для 5g nr (включая полосу частоты n79).

xbaw: akoustis-еще одна компания, которая обещает предоставить высокопроизводительные широкополосные акустические фильтры для 5g и современные технологии wi-fi. они разрабатывают свои запатентованные технологии, используя однокристаллические пленки aln с лучшими пьезоэлектрическими свойствами, чем поликристаллические пленки aln.

гибрид: будущие радиочастотные фильтры могут принять комбинацию тщательно разработанных акустических фильтров и фильтров жк для достижения беспроигрышного эффекта. опубликованное исследование показывает, что пропускная способность составляет 900 мгц (3,3 - 4,2 ггц), а при 4,4 ггц (полоса n79) - 36 дб подавления, с разницей в 200 мгц, что определенно имеет яркую перспективу.