重新思考声波滤波器

fgt_dragon · 发表于 2020-5-12 10:26:47

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虽然移动营运商希望所有人相信5G就要闪亮登场，大家很快就能享受5G丰富的新业务以及无限制的带宽，但那些引领未来的设计师们却看到了背后的困难。

例如，他们需要新的无线技术，让复杂的混频信号有效地在三个很宽的频带上进行传输。我曾经是一名电子工程师，知道创建工作于600MHz到42GHz频段不同带宽的信号链是完全可能的。换言之，以我在RF设计方面的有限经验，我相信，实现这些功能所需的成本和涉及的复杂性可能是5G应用的一大障碍。

我最近跟Resonant公司首席运营官Dylan Kelly进行了深入交流，他们公司推出的新型单片射频滤波器技术给了我信心，我现在没那么悲观了。这让我知道了现代无线技术有多大的潜力。如果Resonant的产品能够面市，他们的技术应该能创造出更简单、尺寸更小、成本更低的射频前端，而性能上完全没有任何影响。

我们来快速回顾一下目前大多数蜂窝信号网络业务是如何开展的，你就能理解我为什么对此如此感兴趣了。

多年来，蜂窝无线设备在多个频带上工作，使用多个Tx（发射）和Rx（接收）信号链，每个信号链都有自己的放大器、开关和滤波器。每个信号链都采用一组滤波器来消除干扰，并将无线设备发射的能量控制在信道严格限定的范围内。几乎所有这些滤波器都是压电器件，采用光刻工艺制造而成，包括声表面波（SAW）、体声波（BAW）或声波谐振器（AR）等结构。

图1：图中的声波滤波器采用光刻工艺制造而成。（图片来源：Resonant）

采用SAW和温控SAW技术的滤波器一直很受欢迎，因为这种技术十分成熟，使用量大，从而降低了成本。虽然SAW技术足以满足许多应用的要求，但由于其选择性一般、插入损耗较高，所以可能不适合某些应用。此外，SAW滤波器在频率高于2.5GHz时很难正常工作。

BAW滤波器是最近才推出的一种滤波器，信号是通过滤波器材料而不是在其表面进行传播。这种滤波器的插入损耗要低得多（低于2dB），滤波性能也更好，随着技术的发展现在还可以支持5G频段。然而由于制造工艺复杂，因此制造成本高昂，从而限制了其应用。制造一部全球漫游的5G“世界手机”需要大量滤波器，因此必须考虑成本因素。

目前一部顶级4G/LTE智能手机需要50~90个这样的小滤波器。5G手机支持的频段要多得多，而且还要使用支持多个Rx/Tx信号链的MIMO无线技术，这可能会使滤波器的数量增加5~10倍，甚至更多。此外，5G射频模块中使用的滤波器需要更陡、更精确的截止特性，以便在信道周围形成窄保护频带，避免浪费太多可用带宽。

Resonant可能使用一种称之为IDT膜谐振器的结构解决了这些问题。该结构包含单晶体压电膜，以及位于压电膜上面的金属叉指换能器（IDT）。凯利解释说：“金属痕迹会在膜内激起体声波，声波的主频和耦合特性是由压电膜的物理尺寸和特性决定的。”

凯利表示，他们可以采用制造SAW滤波器的设备和工艺来制造IDT-BAW，因此生产成本远低于传统BAW器件。而且，低容量结构能够支持超过40GHz的工作频率，足以支持5G应用。

图2：IDT膜谐振器的截面图显示其基本结构和IDT指激发的体声波。（图片来源：Resonant）

Resonant还有另一项“秘密超能力”，即利用其工艺可以把多个BAW滤波器放在同一衬底上，并将其封装为一个组件。在谈到一个衬底上究竟可以放置多少个滤波器时，Kelly没有给出准确数目，但他明确表示，该技术可以让5G通信的复杂度接近高端4G/LTE的水平。

当我问为什么其他制造商不提供类似的解决方案时，Kelly说，除了他们已经开发的IP，设计和精确仿真支持IDT滤波器的独特结构也有很大难度，因此门槛较高。他认为公司能够成功，很大原因是采用了自主研发的先进建模软件，用以对滤波器进行高度精确的仿真。他解释说，该软件能够提前预测滤波器的性能，从而将产品快速投入生产，而不必再像以前那样，开发SAW/BAW器件往往要在制造工厂反复测试，达到20多次。

通往5G之路仍然不会一帆风顺，但起码设计师少了一个障碍。