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隨著蜂窩移動技術的發展，移動帶寬不斷增加，頻段也越來越多。這些帶寬中的每一個頻段都需要一個濾波器來將其信號與其他頻段分開，但目前用于手機的濾波器技術可能無法擴展到 5G 中的整個毫米波 (mmWave) 范圍。
“毫米波時代終究會到來，但不是現在，”Resonant（一家美國公司，成立于 2012 年 1 月，為無線電頻率（簡稱 RF ）創建創新性濾波器設計，前身是移動設備工業）企業發展副總裁 Mike Eddy 說。“地球探測衛星服務的頻率為 23.8 GHz，略低于為 5G 部署的毫米波頻段，因此必須對其進行一些過濾。”
“聲表面波（Surface acoustic wave ，簡稱 SAW）器件或體聲波（bulk acoustic wave ，簡稱 BAW）器件的擴展不會超過 10 GHz，” FormFactor 射頻部門業務開發總監 Anthony Lord 說。
“這些濾波器都沒有在毫米波范圍內工作，它們都超過了 6GHz 或 8GHz”，FormFactor 射頻產品組營銷高級總監 Tim Cleary 表示，“業內沒有更好的解決方案，這是一個挑戰。”
當下手持設備行業中，SAW 和 BAW 濾波器占據主導地位。雖然它們可能隨著進一步改進而擴展到 6 GHz 范圍之外，但距離毫米波設計需要運行的 28 至 70 GHz 范圍，還有很長的路要走。
其實，在不受限于以體積大小的設備上，已經存在一些解決方案——但這些方案并不適用于手機，這就是目前需要發展的地方。
頻段激增，濾波器爆炸式增長
移動通信技術每更新一代，都會有更多的頻段被開發使用。“頻段”一詞可以有不同的含義，比如寬帶（borad bands）是被分配和拍賣的，而單個信道代表的頻段是這些寬帶的子集。
這些小頻段的數量正在急劇增加。對于使用頻分雙工 ( frequency-domain duplexing，簡稱 FDD) 的信道，有兩個相鄰的鏈路——一個用于發送，一個用于接收——兩者之間存在一個保護頻段。當使用時分雙工 (time-domain duplexing，簡稱 TDD) 時，整個信道只有一個頻段。
這些頻段或每一個子頻段中都需要一個帶通濾波器（ band-pass filter）。隨著頻段數量的激增，所需的濾波器數量也呈爆炸式增長。比如說，今天智能手機中的濾波器的數量已經超過了60個，而 5G 時代這一數字將進一步提高，以便為毫米波頻段增加更高的頻率。
理論上，帶通濾波器可以通過頻帶內的所有信號，并將頻帶之外的所有信號“擋在門外”，可以簡單地將其視為頻帶內的信號乘以 1，頻帶外的信號乘以 0。
不過，現實世界中的濾波器其實并不理想，面臨眾多挑戰。
現實中的濾波器，挑戰重重
現實中的濾波器，并不是在頻帶邊緣"戛然而止”，因為頻帶邊緣呈弧狀，衰減是傾斜的而不是垂直的。
中心頻率、上限和下限的截止頻率是濾波器的關鍵屬性，截止值被定義為信號通過能力下降 3dB 的點（對應于信號功率下降一半的點）。超過 3dB 衰減的斜率通常稱為下擺，需要盡可能快地下降。
雖然獨立設計三個頻率（中心、上限和下限）可能會很好，但實際上，上限和下限截止頻率一起移動使得設計中心頻率和整體寬度成為可能，因此中心頻率也跟著一起移動，而寬度通常就是中心頻率的百分比。
設計更寬的帶通濾波器可能更具挑戰性，一些 5G 頻段的寬度可能高達中心頻率的 20%，這給濾波器的設計帶來了很大的負擔。
在接收器的前端，需要盡可能早地過濾掉散雜信號，防止其進入射頻鏈，這意味著要在天線之后需要立即對信號進行過濾。隨著大規模的多入多出（MIMO）技術允許波束控制，大量的天線單元陣列被使用，在這種情況下，每個元素都需要一個過濾器。
“這些單元之間的間距基于毫米波，也就是說間距大約為 5 毫米，” Eddy 說。“適應這一間距是必然。” 但目前對于毫米波來說是不可能的，因此任何過濾都是在混頻器之后完成。
基站有足夠的空間來容納濾波器尺寸，但手機提出了苛刻的小尺寸要求。在可預見的未來，小型濾波器的最佳頻率可能是 28 GHz，因為這是手持設備中可能使用的毫米波頻率，更高的頻率更有可能用于塔對塔通信，這些系統不像手機那樣受空間限制。
“對于基站之類的東西，我們將依賴陶瓷介質濾波器和金屬腔體濾波器，” Cadence 的 AWR 軟件技術營銷總監 David Vye 說。“它們永遠無法滿足移動設備內部的空間要求。”
在早期，28 GHz（或相近）頻段的濾波需求更加寬松。3D Glass 首席技術官 Jeb Flemming 表示：“最初幾年我們常常聽到，手機中不會有任何毫米波濾波器。因為那時候還不會分解頻段，主要使用天線進行濾波。”
在這種情況下，將天線做為一個馬馬虎虎的濾波器已經足夠，但在某些時候，我們需要為天線元件準備真正的濾波器。那么，這些毫米波濾波器究竟如何制造？
廣泛應用于手機的聲波濾波器
當今手機中的大多數濾波器都使用聲波技術，這一技術設計壓電材料在電場影響下的輕微變形，以及物理變形后產生電場。因此，電信號可以轉換為機械振動，機械振動也可以轉換為電信號，這些機械振動相當于晶體內的聲波。
通過建立一種聲學諧振結構，可以將輸入信號施加到諧振器的一端。該輸入信號由許多不同頻率的信號組成——有些是用于其他頻段的信號，而有些則是環境噪聲。濾波器的首要任務是消除通帶之外的任意信號。
通帶內的信號頻率分量將引起聲學共振，接著聲波濾波器檢測到這些聲學共振并將其轉換回濾波器另一端的電域。理想情況下，該輸出將由所有被清除了不必要頻率的輸入信號組成。
這些聲波濾波器有很多優點，包括通帶干凈、尺寸非常小和成本結構有利，尤其是高產量的制造業降低了成本。
在較低頻率下，表面聲波 (SAW) 濾波器占主導地位，使用這些濾波器，材料表面的波被激發，并耦合到同一表面附近的輸出端。
對于更高的頻率，體聲波 (BAW) 濾波器則占主導地位，與低頻率下的 SAW 相反，不是在材料表面激發波，而是利用了大量材料從頂部到底部共振，輸出電極位于下方。這需要更復雜的處理，因此它們往往比 SAW 濾波器更昂貴。
BAW 濾波器有兩種基本版本，區別在于內部駐波的設置方式。
一個版本需要從底部到頂部進行反射，并且使用獨立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和空氣腔完成這項工作。
另一個版本使用一系列看起來像聲學鏡（類似于光的布拉格反射器）的層，被稱為固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。
SAW 和 BAW 濾波器都是使用 MEMS 加工技術制造的，但它們似乎在更高的頻率下開始失效了，這表明該行業可能需要為毫米波頻段尋找新的濾波器。
毫米波濾波器的三種選擇
毫米波無線電信號并不新鮮。例如，雷達和微波裝置已經在使用它們，但這些往往是只能處理一兩個頻率的大型裝置。對于 5G，必須對更多頻段進行更加的嚴格過濾，而且能讓它們裝入移動手機。
雖然 SAW 和 BAW 已經不被納入考慮范圍，但 Resonant 擁有所謂的 XBAR 技術，并聲稱該技術可以擴展聲學技術的可用范圍。該公司從頭開始重新設計 BAW 濾波器，使用不同的壓電材料——鈮酸鋰——并將兩個觸點都放在頂端上，類似于 SAW。
不過與 SAW 的主要區別在于，使用 XBAR 時，觸點不會有物理上的移動。“使用 SAW，金屬棒會進行物理移動，也就意味著它們在金屬遷移過程中失去了動力，”Eddy 指出。
“當我們對這種結構進行建模時，XBAR 提供了 5G 所需的能量、帶寬和功率處理能力——尤其是當我們專注于 3 至 5 GHz 時，”他繼續說道。“現在我們正在研究 5 到 7.1 GHz 的 WiFi，然后是 7 到 9 GHz 的超寬帶。該模型可以用于毫米波嗎？我們認為可以。”
XBAR 濾波器看起來很有前途，但重點是，它代表了在這個頻率范圍內的一種新方法。其他兩種眾所周知的毫米波濾波器技術是波導和腔體濾波器，但與使用聲波的 SAW 和 BAW 濾波器不同，它們使用電磁波進行共振，都有廣泛的結構選擇，通常用于微波應用。
這些諧振器的尺寸通常根據頻率范圍而定，尺寸或間距在四分之一波長范圍內。頻率越高，波長越短，濾波器越小。對于 5G 頻率，諧振器的尺寸在縮小——但仍然不能夠裝入手機。
“有一種叫做‘波導腔’的介質，它的高度和寬度決定了可以通過它傳播的能量，”Vye 說。“低于該頻率，能量不會傳播，高于某個頻率，就會出現調制問題。”
諧振器的使用有助于減少不必要的模式。“波導腔濾波器內部有一些柱子，”Vye 說。“它的作用與陶瓷濾波器相同，它的特性是根據柱子的尺寸，在特定頻率下停止或傳遞能量。諧振器之間的物理尺寸將影響帶寬，而諧振器的數量會影響衰減，即濾波器越多，衰減越快。但這樣一來，就增加了濾波器的長度，也增加了過濾器的材料成本。”
對基站而言，由于可以容納更大的尺寸，該技術是適合的，但對于手機而言，這一濾波器依然太大。
微帶濾波器是頻率高達 30 GHz 的另一種選擇。通過這種設計，在印刷電路板 (PCB) 上創建微帶線以支持電磁諧振。不過依然存在一個問題，一般來說， PCB 材料被普遍認為質量不高。
“PCB 的厚度變化、材料介電常數的變化以及印刷時線寬的變化，都會改變通帶頻率。”Eddy 說。
此外還有其他考慮。Flemming 說：“材料特性確實會推動性能表現，但市場上的材料屈指可數。這些非常高 Q 值的共振陶瓷材料特殊，通常價格更高。歷史上 MLCC（多層陶瓷帽）是一種合理的材料，但它們在 25 GHz 左右開始失效。”
誘人的玻璃工藝
由于毫米波頻率的波長較短，因此在硅或其他材料中制作波導成為可能。“這幾乎就像 MEMS，因為你正在創建這些通道，微波信號可以通過蝕刻區然后在硅晶片上進行金屬化，”Vye 解釋說。
3D Glass 通過光刻工藝在玻璃而非硅中制作波導，通過暴露在紫外線下選擇性地將非晶玻璃轉化為晶體，被轉化的結晶玻璃（實際上是陶瓷）更適合蝕刻，更便于創建通孔特征。
“陶瓷在酸中的蝕刻速度比玻璃快 60 倍，”Flemming 說。“我們可以做空腔，但這是一個定時蝕刻，因為這種陶瓷層有玻璃貫穿其中。”
可以通過這種方式制造電感器等結構，也可以用這種方式創建帶有諧振器的腔，用于毫米波濾波。
“我用金屬線做諧振器，幾乎蝕刻掉了所有玻璃，” Flemming 說。“因此我的諧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堅固耐用，就可以稱之為取得成功。這條懸浮的帶狀線可以達到大約 40 到 50 GHz。我們展示了 10% 到 15% 的帶寬，這是相當廣泛的。”
這些充滿空氣的空腔可以延伸到更高的回程頻率。“我們正在 70 到 150 GHz 范圍內進行大量的客戶開發，”他指出。“有人稱之為 5G，有人稱之為 6G。”
過去的過濾器設計涉及多種制造以優化性能，但是變量太多，要求也很嚴格，不過如今可以使用模擬工具，以便在構建濾波器之前對其結構進行優化。
“如何封裝以及如何連接到電路的其他部分非常重要，”Vye 說。“人們放棄了對設計的經驗測試，依賴 EM （電磁模擬） 技術來進行設計。”
Cadence 此前使用 Microwave Office 設計和模擬 3D Glass，因此熟悉 3D Glass 的工作。“在一個非常低損耗的結構內有金屬諧振器，這個結構由小玻璃基座懸浮的在空中，用來構建非常小的濾波器，盡管還沒有聲波濾波器那樣小，”Vye 說。
結論
玻璃工藝的經濟性是誘人的。考慮到對體積的需求，可以使用面板代替晶圓。一個 9' x 9' 面板可以安裝很多濾波器，因此，雖然今天的工作是在 6 英寸和 8 英寸晶圓上進行，而且一些客戶希望轉向 12 英寸晶圓，但他們看到了一條降低成本的清晰路徑。
雖然還有一些令人興奮的可能性即將出現，但這些可能性還沒有準備好進行商業生產，在過濾技術領域尚未出現真正的贏家。
5G 手機中的毫米波尚未完全實現，因此還有一些時間。但需要注意的是，行業目前面臨的問題是制定一個可靠的計劃和路線圖，而不是一些可能奏效的有趣想法。雷鋒網雷鋒網
雷鋒網編譯自Semiengineering
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