eine überprüfung der funkfrequenzfiltertechnologie

der schlüssel zur signalauswahl besteht darin, einen funkfrequenzfilter zu verwenden, dessen funktion es ist, die signale der gewünschten frequenz zu ermöglichen, während der rest blockiert wird. das arbeitsprinzip des filters besteht darin, bei einer bestimmten frequenz resonanz zu erzeugen. es kann mit einer schaukel auf dem spielplatz verglichen werden. um den schwung höher zu machen, müssen sie die zeit des drückens mit der frequenz des schwung des pendels synchronisieren und mit der frequenz der schwung mit resonanz resonieren. in ähnlicher weise ermöglicht ein korrekt gestalteter resonanzkreis signale der korrekten frequenz durch die unterdrückung anderer frequenzen. ein quantitatives maß für das semaphor, das vergehen darf, im gegensatz zur unterdrückung unerwünschter frequenzen, wird als filterqualitätsfaktor (oder q) -faktor bezeichnet. wir hoffen, der q -faktor ist so hoch wie möglich. tatsächlich reicht ein filter nicht aus, um eine einzelne frequenz zu ermöglichen. signale werden durch einen bestimmten frequenzbereich geleitet, der als bandbreite des filters bezeichnet wird. die bandbreitenanforderungen werden sich gemäß dem vom filter bedienten drahtlosen standard eingrenzen oder weit verbreitet. bezeichnenderweise sollte auch beachtet werden, dass die größe des filters proportional zur wellenlänge des signals bei resonanz in der zellulären technologie ist. der am weitesten verbreitete filter in der zellentechnologie ist der akustische filter, vor allem, weil er klein ist und einen hohen q -faktor aufweist. der akustische filter basiert auf einem speziellen substrat, der als piezoelektrisches substrat bezeichnet wird (normalerweise lithium -tantalat, litao3), das mechanische spannung in elektrische energie umwandelt und umgekehrt. sie sind aufgrund des akustischen resonanzphänomens bei gigahertz -frequenzen sehr kompakt, von denen die wellenlänge innerhalb des mikrometerbereichs liegt, während die wellenlänge des filters basierend auf der elektromagnetischen resonanz im zentimeterbereich liegt. in anbetracht dessen hat die hf -akustikfilterbranche im letzten jahrzehnt einen enormen boom mit dem aufstieg der mobilkommunikation erlebt, und die größe ist der haupttreibfaktor in diesem artikel, in dem wir verschiedene hf -filtertechnologien untersuchen werden, einschließlich neuer entwicklungen in der zukünftigen drahtlosen kommunikation:

die akustische oberflächenwelle hat die temperaturkompensation; schüttgut welle (fbar, smr, cmr, xmr); lc -filter (ltcc, ipd); neue filter für die drahtlose zukunft.

 

i. oberflächen akustische wellenfilter (saw)

anfänglich betrugen die maximalen betriebsfrequenzen von 1g-, 2g- und 3g -mobiltelefonen ungefähr 2 ghz. die 2g -gsm -band war 900 mhz, die pcs -band war 1900 mhz und die band 1 des 3g -telefons 2100 mhz, während band 5 850 mhz war. sägefilter können bei diesen frequenzen einen qualitätsfaktor von rund 800 erreichen, was für die mobilfunkkommunikation ausreicht. sägefilter werden auf piezoelektrischen substraten implementiert, die aluminiumstreifen aufweisen. die aluminiumstreifen haben eine kämmähnliche struktur, die als interdigitale wandler (idt) bezeichnet wird und elektrische signale in mechanische schwingungen umwandeln, die auch als akustische wellen bezeichnet werden. diese wellen breiten sich seitlich entlang der oberfläche des piezoelektrischen substrats aus und kollidieren mit anderen idts, die auf strategischen entfernungen auf beiden seiten und rückpraller platziert sind. gemäß der physikalischen struktur dieser konfiguration weisen sägefilter spezifische resonanzfrequenzen auf.

oberflächen -akustikwelle (saw) -resonator

 

wenn die arbeitsfrequenzen und bandbreiten nachfolgender drahtloser standards weiter wachsen, wird es immer schwieriger, sägefilter mit schmalen aluminium -merkmalsgrößen auf piezoelektrischen substraten herzustellen und eine filterbandbreite von mehr als 100 mhz zu erreichen. ein weiteres problem ist, dass sich die filterleistung mit temperaturschwankungen ändert, was durch externe umgebungsfaktoren oder interne wärmeableitungen innerhalb des filters verursacht werden kann. um diese probleme zu überwinden, sind verbesserungen der sägefiltertechnologie erforderlich. diese verbesserungen haben verschiedene techniken angewendet, die wir im folgenden text sehen werden.

 

ii. temperaturkompensation (tc) saw -filter

der negative temperaturkoeffizient des piezoelektrischen substrats beträgt ungefähr -20 ppm/c bis -40 ppm/c, was bedeutet, dass sich der frequenzgang mit zunehmendem temperatur zu einer niedrigeren frequenz verlagert. tc-saw-filter überwinden das problem der temperaturdrift unter verwendung einer der folgenden zwei techniken:

1. eine dünne schicht aus siliziumdioxid (sio2) wird oben in der idt -struktur abgelagert. der positive temperaturkoeffizient von sio2 kompensiert die negative reaktion des piezoelektrischen substrats und erreicht effektiv einen frequenzversatz nahe 0 ppm/c. dies führt jedoch zu zusätzlichen filterverlust und falschen resonanzmodi.

2. binden sie das piezoelektrische substrat mit einem anderen substrat mit einem niedrigeren thermischen expansionskoeffizienten (wie saphir oder siliziumdioxid). diese methode hat jedoch weniger temperaturstabilität als die vorherige.

die temperaturstabilität ist ein notwendiges merkmal des 4g lte -standards. band 40 (2,3 - 2,4 ghz) fällt fast mit der unteren grenze von wlan (2,401 - 2,483 ghz) zusammen, und diese tatsache enthält strenge anforderungen an die filtergenauigkeit. da die drahtlose standardfrequenz jedoch immer höher wird, wird die breite der aluminiumelektroden in der idt kleiner und die filter treten bald auf probleme mit erhöhtem verlust und elektromigration bei hoher übertragungsleistung auf. obwohl forscher verschiedene metalllegierungen ausprobiert haben, um dieses problem zu lindern, ist es an der zeit, derzeit neue technologien einzusetzen.

 

iii. bulk -akustikwellenfilter (baw)

baw -filter befassen sich mit den problemen der verlängerung auf höhere frequenzen und zur bearbeitung höherer stromanforderungen. es gibt zwei methoden, um akustische wellenfilter zu erstellen, die das resonanzphänomen von piezoelektrikum von schüttgut verwenden:

1. dünnfilm bulk akustikresonator (fbar)

2. oberflächenhalterresonator (smr)

 

iv. dünnfilm akustischer wellenresonator (fbar)

das arbeitsprinzip der fbar ist unkompliziert und leicht zu verstehen. es besteht aus piezoelektrischen materialien zwischen den oberen und unteren elektroden. wenn eine abwechselnde spannung auf die elektroden aufgetragen wird, wird im substrat eine mechanische dehnung erzeugt. dies führt zu akustischen wellen, die zwischen den beiden elektroden hin und her reflektieren und dadurch einen resonator bilden. anschließend wird ein baw -filter hergestellt, indem die resonatoren miteinander verbunden werden.

der "dünnfilm" in fbar bezieht sich auf die elektroden und das piezoelektrische substrat, das in einer suspendierten form auf einem unterstützenden substrat implementiert ist. das unterstützende substrat wird selektiv unter das piezoelektrische material geätzt, um freie schwingung (und resonanz) des substrats zu ermöglichen. die schnittstelle zwischen hoher akustischer impedanz zwischen der bodenelektrode und der luft ermöglicht es den akustischen wellen, wieder in das piezoelektrische material zu reflektieren und den resonator zu bilden.

filmbasierter bulk-akustikresonator (fbar)

 

basierend auf diesem arbeitsprinzip und der verwendung von aluminiumnitrid (aln) als piezoelektrisches material kann ein q-faktor von mehr als 2000 innerhalb des 2-8-8-ghz-bereichs erreicht werden, was es zu einer idealen wahl für 4g lte/5g-anwendungen macht. fbar kann sich an temperaturänderungen anpassen und ist mit cmos -foundry -prozessen kompatibel. dies macht die kommerzialisierung der fbar -technologie attraktiv, die viele große unternehmen wie broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) und taiyo yuden, bei diesem gebiet beizutragen.

die methode zur erhöhung der betriebsfrequenz von fbar -filtern besteht darin, das aln -substrat zu verdünnen. durch die reduzierung von 120 nm kann fbar beispielsweise bei 24 ghz betrieben werden. eine andere methode zur erzielung eines hochfrequenzbetriebs besteht darin, resonanzmodi höherer ordnung und übermodulierte baw (obar) -resonatoren zu verwenden.

der nachteil von baw -filtern ist schwer zu fungieren filter mit großen bandbreiten. die bandbreite hängt weitgehend von den eigenschaften des piezoelektrischen materials ab. um die bandbreite zu erhöhen, haben forscher scandium erfolgreich in aln ​​dotiert, wodurch die bandbreite um mehr als zweimal erhöht wurde. starke piezoelektrische materialien wie lithium -niobat (linbo3 oder ln) haben ebenfalls gute ergebnisse gezeigt.

 

v. fixed resonator (smr)

die essenz der fbar liegt in gegenwart einer hohen impedanz zwischen der elektrode und der luftgrenzfläche, sodass schallwellen wieder an den resonator reflektiert werden können. der gleiche effekt kann erreicht werden, indem ein sogenannter akustischer bragg-reflektor unter das piezoelektrische material mit oberen und unteren elektroden gelegt wird.

der akustische bragg -reflektor besteht aus einer reihe von alternierenden schichten mit hoher und niedriger impedanz (wie wolfram- und siliziumdioxid), sodass jeder grenzflächenteil des signals zurück reflektiert wird. je mehr schichten im bragg -reflektor, desto höher ist die vom reflektor aufgrund mehrerer reflexionen dargestellte impedanz. durch platzieren des bragg -reflektors unter die bodenelektrode des baw -resonators wird das signal wieder in das piezoelektrische material reflektiert, wodurch eine resonanz führt.

fixed-mode-resonatoren (smr)

der smr baw -filter hat eine ausstehende leistung. zum beispiel meldete qorvo einen smr -filter, der 5w hf -leistung mit einem peak von 40 w verarbeiten kann. kürzlich berichteten sie auch über eine neue art von smr-baw-filter, die scandium-doping verwendet und den betrieb im bereich von 1 bis 8 ghz unterstützt und die frequenzbänder von 5g und wi-fi 6e abdeckt.

 

vi. profilmodus resonatoren (cmr) und xmr

für fbar- und smr -baw -filter kann aufgrund ihrer physischen struktur nur eine resonanz erreicht werden, was bedeutet, dass für jedes arbeitsfrequenzband unterschiedliche filterchips erforderlich sind. mit der raschen zunahme der zellfrequenzbanden ist es erforderlich, mehrere arbeitsfrequenzbänder auf einem einzelnen baw -chip zu implementieren. die cmr-baw-technologie (profilmodus resonator) wird für den multi-band-betrieb entwickelt.

die physikalische struktur des cmr -baw -resonators ist eine mischung der in sägefilter verwendeten idt -struktur und der in baw -filter verwendeten bodenelektrode. infolgedessen können mehrere resonanzmodi sowohl in der lateralen (entlang der oberfläche, wie z. b. saw) als auch in längsschnitt (wie baw) angeregt werden, wobei gleichzeitige resonanzmodi bei unterschiedlichen frequenzen realisiert werden. dies ermöglicht das design von multi-band-baw-resonatoren, die mehrere frequenzbänder gleichzeitig verarbeiten können.

in fbar, smr und cmr war das erreichen einer breiten filterbandbreite aufgrund des begrenzten kopplungskoeffizienten schon immer ein problem. um den kopplungsgrad zu erhöhen und dadurch die filterbandbreite zu erhöhen, haben forscher methoden entdeckt, um mehrere betriebsmodi zu kombinieren. anstatt die metallform des resonators aus einer übersichtsperspektive nur zu entwerfen, entwerfen die forscher den resonator, indem sie seinen querschnitt und die verwandten modi betrachten. durch komplexes design der baw -filterelektroden wurde eine neue art von baw -filter namens xmr für eine breite bandbreite entwickelt. solche filter sind sehr neu, noch unter forschung und entwicklung.

 

vii. filter integrierte elemente

wenn wir in die 5g new radio (nr) -ara eintreten, ist die bandbreite der frequenzbänder n77-n79 zehnmal größer als die der früheren generationen. aufgrund der relativ geringen kopplung durch piezoelektrische materialien hatten säge- und baw -technologien immer das problem einer übermäßigen bandbreite. um dieses problem zu lösen, verwenden die heutigen 5g-smartphones in der regel integrierte lc-filter integrierte elemente. induktoren (l) und kondensatoren (c) werden in mehrschichtigen substraten wie dem mit niedrigen temperaturen zusammengefassten keramik (ltcc) oder integrierten passiven geräten (ipd) implementiert. die q -werte solcher passiven geräte auf dem substrat sind nicht hoch. daher haben diese filter keine gute selektivität. dies kann aus zwei gründen immer noch toleriert werden:

1. die besetzung von 5g -frequenzbändern ist immer noch nicht so dicht wie die der früheren generationen, sodass die niedrigere selektivität des filters akzeptabel ist.

2. die durch 5g erforderliche breite filterbandbreite kann erreicht werden. da saw/baw in diesem anwendungsfall nicht gut abschneidet, gibt es keine andere option.

der hauptnachteil der herstellung von ltcc-filtern besteht darin, dass die implementierung passiver elemente mithilfe einer mehrschichtigen methode zu einer zu großen dicke der gesamtdicke führt und nicht für dünne moderne smartphones geeignet ist. darüber hinaus kann die geringe toleranz des herstellungsprozesses keine guten streckungsraten bewirken.

ipd ist eine fortschrittlichere technologie, insbesondere wenn sie auf glassubstraten implementiert wird. die herstellungstoleranz ist strenger, die dicke ist kleiner und es können metall-isulator-metallkondensatoren mit hoher dichte erreicht werden, wodurch kompaktere und strenger kontrolliertere filter ermöglicht werden. wenn gaas ipd verwendet wird, ist es möglich, den filter in den aktiven schaltkreis zu integrieren. mit dem anstieg der wlan 7- und 6g -zellentechnologien wird der begrenzte q -wert und die schlechte selektivität in zukunft zu problemen werden. in zukunft werden komplexere filter benötigt.

 

viii. ausblick für die zukunft

in der zukunft der hf -filtertechnologie sind noch viele innovative methoden zu untersuchen und zu untersuchen. wir sind immer noch weit davon entfernt, alle ziele zu erreichen. hier sind jedoch einige aufregende fortschritte. ultra-high performance (ihp) säge: murata zeigte einen sägefilter mit einem q-wert von mehr als 4000 (mehr als viermal höher als gewöhnlicher säge) und der betriebsfrequenz über 5 ghz. derzeit werden verschiedene kombinationen von unterstützenden substraten und piezoelektrischen materialien untersucht, um leistungsgrenzen zu durchbrechen.

xbar: resonant inc. wurde 2022 von murata übernommen, der proprietäre xbar -technologie (eine einzigartige kombination aus säge- und fbar -baw -technologien) hat und voraussichtlich akustische filter für 5g -nr -anwendungen (einschließlich des n79 -frequenzbandes) bereitstellt.

xbaw: akoustis ist ein weiteres unternehmen, das verspricht, leistungsstarke breitband-akustische filter für 5g- und moderne wifi-technologien bereitzustellen. sie entwickeln ihre proprietäre technologie unter verwendung von single-crystal-aln-filmen mit besseren piezoelektrischen eigenschaften als polykristalline aln-filme.

hybrid: zukünftige hf-filter können eine kombination aus sorgfältig entwickelten akustischen filtern und lc-filtern einnehmen, um einen win-win-effekt zu erzielen. veröffentlichte untersuchungen zeigen, dass die bandbreite 900 mhz (3,3 - 4,2 ghz) und 4,4 ghz (band n79) beträgt, und bietet 36 db unterdrückung mit nur einem unterschied von 200 mhz, was definitiv eine gute aussicht aufweist.