een overzicht van radiofrequentiefiltertechnologie

de sleutel tot signaalselectie is om een ​​radiofrequentiefilter te gebruiken, waarvan de functie is om de signalen van de gewenste frequentie te laten passeren terwijl de rest wordt geblokkeerd. het werkingsprincipe van het filter is om resonantie op een specifieke frequentie te genereren. het kan worden vergeleken met een schommel op de speeltuin. om de swing hoger te laten gaan, moet je de tijd van het duwen synchroniseren met de frequentie van de slinger van de slinger en resoneren met de frequentie van de swing. evenzo zal een correct ontworpen resonantcircuit signalen van de juiste frequentie kunnen passeren terwijl andere frequenties worden onderdrukt. een kwantitatieve maat voor de semafoor die mag passeren, in tegenstelling tot het onderdrukken van ongewenste frequenties, wordt de filterkwaliteit (of q) -factor genoemd. we hopen dat de q -factor zo hoog mogelijk is. in feite is een filter niet voldoende om een ​​enkele frequentie te laten passeren. signalen gaan door een bepaald frequentiebereik, dat de bandbreedte van het filter wordt genoemd. de bandbreedtevereisten zullen smeken of groter worden volgens de draadloze standaard die door het filter wordt bediend. aanzienlijk moet ook worden opgemerkt dat de grootte van het filter evenredig is met de golflengte van het signaal bij resonantie in de cellulaire technologie. het meest gebruikte filter in cellulaire technologie is het akoestische filter, vooral omdat ze klein van grootte zijn en een hoge q -factor hebben. het akoestische filter is gebouwd op een speciaal substraat dat een piëzo -elektrisch substraat wordt genoemd (meestal lithiumtantalaat, litao3), dat mechanische stress omzet in elektrische energie en vice versa. ze zijn erg compact vanwege het akoestische resonantiefenomeen bij gigahertz -frequenties, waarvan de golflengte zich binnen het micrometerbereik bevindt, terwijl de golflengte van het filter op basis van elektromagnetische resonantie zich binnen het centimeterbereik bevindt. gezien dit, heeft de rf -akoestische filterindustrie het afgelopen decennium een ​​enorme boom ervaren met de opkomst van mobiele communicatie, en de grootte is de belangrijkste drijvende factor in dit artikel, waarin we verschillende rf -filtertechnologieën zullen bestuderen, waaronder nieuwe ontwikkelingen in toekomstige draadloze communicatie:

oppervlakte akoestische golf heeft de temperatuurcompensatie; bulk akoestische golf (fbar, smr, cmr, xmr); lc -filter (ltcc, ipd); nieuwe filters voor de draadloze toekomst.

 

i. oppervlakte akoestische golf (zaag) filters

aanvankelijk waren de maximale operationele frequenties van 1g, 2g en 3g mobiele telefoons ongeveer 2 ghz. de 2g gsm -band was 900 mhz, de pcs -band was 1900 mhz en de band 1 van de 3g -telefoon was 2100 mhz, terwijl band 5 850 mhz was. zaagfilters kunnen een kwaliteitsfactor van ongeveer 800 bereiken bij deze frequenties, wat voldoende is voor mobiele communicatie. zaagfilters worden geïmplementeerd op piëzo -elektrische substraten, die aluminium strips hebben. de aluminium strips hebben een kamachtige structuur, genaamd interdigitale transducers (idt), die elektrische signalen kunnen omzetten in mechanische trillingen, ook bekend als akoestische golven. deze golven propageren zich lateraal langs het oppervlak van het piëzo -elektrische substraat en botsen met andere idt's die op strategische afstanden aan beide zijden worden geplaatst en terugkomen. volgens de fysieke structuur van deze configuratie hebben saw -filters specifieke resonantiefrequenties.

oppervlakte akoestische golf (saw) resonator

 

naarmate de werkfrequenties en bandbreedtes van daaropvolgende draadloze normen blijven groeien, wordt het steeds moeilijker om zaagfilters te fabriceren met smalle aluminium kenmerkgroottes op piëzo -elektrische substraten en een filterbandbreedte te bereiken van meer dan 100 mhz. een ander probleem is dat de filterprestaties zullen veranderen met temperatuurvariaties, die kunnen worden veroorzaakt door externe omgevingsfactoren of interne warmtedissipatie in het filter. om deze problemen op te lossen, zijn verbeteringen in zaagfiltertechnologie noodzakelijk. deze verbeteringen hebben verschillende technieken aangenomen, die we in de volgende tekst zullen zien.

 

ii. temperatuurcompensatie (tc) zaagfilter

de negatieve temperatuurcoëfficiënt van het piëzo -elektrische substraat is ongeveer -20 ppm/c tot -40 ppm/c, wat betekent dat naarmate de temperatuur stijgt, de frequentierespons verschuift naar een lagere frequentie. tc-saw-filters overwonnen het temperatuurdriftprobleem met behulp van een van de volgende twee technieken:

1. een dunne laag siliciumdioxide (sio2) wordt op de bovenkant van de idt -structuur afgezet. de positieve temperatuurcoëfficiënt van sio2 compenseert de negatieve respons van het piëzo -elektrische substraat, waardoor een frequentie -offset in de buurt van 0 ppm/c effectief wordt bereikt. dit zal echter leiden tot extra filterverlies en valse resonantiemodi.

2. bind het piëzo -elektrische substraat met een ander substraat met een lagere coëfficiënt van thermische expansie (zoals saffier- of siliciumdioxide). maar deze methode heeft minder temperatuurstabiliteit dan de vorige.

temperatuurstabiliteit is een noodzakelijk kenmerk van de 4g lte -standaard. band 40 (2.3 - 2,4 ghz) valt bijna samen met de ondergrens van wifi (2.401 - 2.483 ghz), en dit feit legt strikte vereisten op aan de filternauwkeurigheid. naarmate de draadloze standaardfrequentie echter hoger en hoger wordt, wordt de breedte van de aluminium -elektroden in de idt kleiner en stappen zaagfilters al snel problemen tegen van verhoogd verlies en elektromigratie bij hoog transmissievermogen. hoewel onderzoekers verschillende metaallegeringen hebben geprobeerd om dit probleem te verlichten, is het momenteel het moment om nieuwe technologieën aan te nemen.

 

iii. bulk akoestische golf (baw) filters

baw -filters behandelen de problemen van het uitbreiden naar hogere frequenties en het omgaan met hogere stroomvereisten. er zijn twee methoden om akoestische golffilters te maken die gebruik maken van het resonantiefenomeen van bulk piëzo -elektrische materialen:

1. dunne film bulk akoestische resonator (fbar)

2. surface mount resonator (smr)

 

iv. dunne film akoestische golfresonator (fbar)

het werkende principe van fbar is eenvoudig en gemakkelijk te begrijpen. het bestaat uit piëzo -elektrische materialen ingeklemd tussen de bovenste en onderste elektroden. wanneer een afwisselende spanning wordt toegepast op de elektroden, wordt mechanische stam gegenereerd door het omgekeerde piëzo -elektrische effect in het substraat. dit resulteert in akoestische golven die heen en weer weerspiegelen tussen de twee elektroden, waardoor een resonator wordt gevormd. vervolgens wordt een baw -filter vervaardigd door de resonatoren samen te koppelen.

de "dunne film" in fbar verwijst naar het elektroden en piëzo -elektrische substraat geïmplementeerd in een gesuspendeerde vorm op een ondersteunend substraat. het ondersteunende substraat wordt selectief onder het piëzo -elektrische materiaal geëtst om vrije trillingen (en resonantie) van het substraat mogelijk te maken. dankzij het hoge akoestische impedantie -interface tussen de onderste elektrode en de lucht kunnen de akoestische golven terug reflecteren op het piëzo -elektrische materiaal, waardoor de resonator wordt gevormd.

filmgebaseerde bulk akoestische resonator (fbar)

 

op basis van dit werkprincipe en het gebruik van aluminiumnitride (aln) als het piëzo-elektrische materiaal, kan een q-factor groter dan 2000 worden bereikt binnen het bereik van 2-8 ghz, waardoor het een ideale keuze is voor 4g lte/5g-toepassingen. fbar kan zich aanpassen aan temperatuurveranderingen en is compatibel met cmos foundry -processen. dit maakt de commercialisering van fbar -technologie aan te trekken wat veel grote ondernemingen zoals broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) en taiyo yuden, lid worden van dit veld.

de methode om de werkfrequentie van fbar -filters te verhogen, is het aln -substraat te verdunnen. door het bijvoorbeeld te verlagen tot 120 nm, kan fbar bijvoorbeeld werken op 24 ghz. een andere methode om hoogfrequente bewerking te bereiken is om resonantiemodi van hogere orde en overgemoduleerde baw (obar) -resonators te gebruiken.

het nadeel van baw -filters is moeilijk om filters met grote bandbreedtes te produceren. de bandbreedte hangt grotendeels af van de kenmerken van het piëzo -elektrische materiaal. om de bandbreedte te vergroten, hebben onderzoekers met succes scandium in aln ​​gedoteerd, waardoor de bandbreedte met meer dan twee keer wordt vergroot. sterke piëzo -elektrische materialen zoals lithiumniobaat (linbo3 of ln) hebben ook goede resultaten laten zien.

 

v. vaste resonator (smr)

de essentie van fbar ligt in aanwezigheid van een hoge impedantie tussen de elektrode en de luchtinterface, waardoor geluidsgolven kunnen worden weerspiegeld in de resonator. hetzelfde effect kan worden bereikt door een zogenaamde akoestische bragg-reflector onder het piëzo-elektrische materiaal met boven- en onderste elektroden te plaatsen.

de akoestische bragg -reflector bestaat uit een reeks afwisselende hoge en lage impedantielagen (zoals wolfraam en siliciumdioxide), dus elk interfacedeel van het signaal wordt teruggereflopt. hoe meer lagen in de bragg -reflector, hoe hoger de impedantie gepresenteerd door de reflector vanwege meerdere reflecties. door de bragg -reflector onder de onderste elektrode van de baw -resonator te plaatsen, wordt het signaal teruggereflopt in het piëzo -elektrische materiaal, waardoor resonantie wordt veroorzaakt.

resonators met vaste modus (smr)

het smr baw -filter heeft uitstekende prestaties. qorvo rapporteerde bijvoorbeeld een smr -filter dat 5w rf -vermogen kan verwerken met een piek van 40w. onlangs rapporteerden ze ook een nieuw type smr baw-filter, dat scandiumdoping gebruikt en de werking ondersteunt in het bereik van 1-8 ghz, met betrekking tot de 5g- en wi-fi 6e-frequentiebanden.

 

vi. resonators van de profielmodus (cmr) en xmr

voor fbar- en smr baw -filters kan slechts één resonantie worden bereikt op basis van hun fysieke structuur, wat betekent dat verschillende filterchips vereist zijn voor elke werkfrequentieband. met de snelle toename van cellulaire frequentiebanden is het noodzakelijk om meerdere werkfrequentiebanden op een enkele baw -chip te implementeren. de baw-technologie van de profielmodus resonator (cmr) is ontwikkeld voor multi-band werking.

de fysieke structuur van de cmr baw -resonator is een mengsel van de idt -structuur die wordt gebruikt in zaagfilters en de onderste elektrode die wordt gebruikt in baw -filters. als gevolg hiervan kunnen meerdere resonantiemodi worden geëxciteerd in zowel de laterale (langs het oppervlak, zoals saw) als longitudinale (zoals baw) richtingen, waardoor gelijktijdige resonerende modi op verschillende frequenties worden gerealiseerd. dit maakt het ontwerp van multi-band baw-resonators mogelijk die tegelijkertijd meerdere frequentiebanden aankan.

in fbar, smr en cmr is het bereiken van een brede filterbandbreedte altijd een probleem geweest vanwege de beperkte koppelingscoëfficiënt. om de koppelingsdiploma te verhogen en daarmee de filterbandbreedte te vergroten, hebben onderzoekers methoden ontdekt om meerdere bedrijfsmodi te combineren. in plaats van puur de metalen vorm van de resonator vanuit een overzichtsperspectief te ontwerpen, ontwerpen onderzoekers de resonator door te kijken naar de doorsnede en gerelateerde modi. door complex ontwerp van de baw -filterelektroden is een nieuw type baw -filter genaamd xmr ontwikkeld voor brede bandbreedte. dergelijke filters zijn erg nieuw, nog steeds onder onderzoek en ontwikkeling.

 

vii. geïntegreerde elementenfilters

terwijl we het 5g new radio (nr) -tijdperk betreden, is de bandbreedte van de n77-n79-frequentiebanden tien keer groter dan die van vorige generaties. vanwege de relatief lage koppeling door piëzo -elektrische materialen hebben saw- en baw -technologieën altijd het probleem van overmatige bandbreedte gehad. om dit probleem op te lossen, gebruiken de 5g-smartphones van vandaag over het algemeen geïntegreerde element lc-filters. inductoren (l) en condensatoren (c) worden geïmplementeerd op meerlagige substraten, zoals co-firische keramiek van lage temperatuur (ltcc) of geïntegreerde passieve apparaten (ipd). de q -waarden van dergelijke passieve apparaten op het substraat zijn niet hoog. daarom hebben deze filters geen goede selectiviteit. dit kan om twee redenen nog steeds worden getolereerd:

1. de bezetting van 5g -frequentiebanden is nog steeds niet zo dicht als die van vorige generaties, dus de lagere selectiviteit van het filter kan acceptabel zijn.

2. de brede filterbandbreedte vereist door 5g kan worden bereikt. aangezien saw/baw niet goed presteert in dit use case, is er geen andere optie.

het belangrijkste nadeel van het maken van filters van ltcc is dat het implementeren van passieve elementen met behulp van een meerlagige methode resulteert in een algehele dikte die te groot is en niet geschikt is voor dunne moderne smartphones. bovendien kan de lage tolerantie in het productieproces geen goede opbrengstpercentages opleveren.

ipd is een meer geavanceerde technologie, vooral wanneer geïmplementeerd op glazen substraten. de productietolerantie is strenger, de dikte is kleiner en de condensatoren met metaal-insulatoren met metaal-invoermetaal (mim) kunnen worden bereikt, waardoor compacetere en strengere gecontroleerde filters mogelijk worden. als gaas ipd wordt gebruikt, is het mogelijk om het filter te integreren met het actieve circuit. met de opkomst van wifi 7 en 6g cellulaire technologieën zullen de beperkte q -waarde en slechte selectiviteit echter in de toekomst problemen worden. in de toekomst zullen meer complexe filters nodig zijn.

 

viii. outlook voor de toekomst

er zijn nog steeds veel innovatieve methoden te bestuderen en onderzocht in de toekomst van rf -filtertechnologie. we zijn nog steeds verre van het bereiken van alle doelen. desalniettemin zijn hier enkele spannende vooruitgang. ultrahoge prestaties (ihp) zagen: murata demonstreerde een zaagfilter met een q-waarde van meer dan 4000 (meer dan 4 keer hoger dan gewone zaag) en werkfrequentie over 5 ghz. verschillende combinaties van ondersteunende substraten en piëzo -elektrische materialen worden momenteel bestudeerd om prestatielimieten te doorbreken.

xbar: resonant inc. werd overgenomen door murata in 2022, die eigen xbar -technologie heeft (een unieke combinatie van saw- en fbar baw -technologieën) en naar verwachting akoestische filters biedt voor 5g nr -toepassingen (inclusief de n79 -frequentieband).

xbaw: akoustis is een ander bedrijf dat belooft krachtige breedband akoestische filters te bieden voor 5g en moderne wifi-technologieën. ze ontwikkelen hun eigen technologie met behulp van single-crystal aln-films met betere piëzo-elektrische eigenschappen dan polykristallijne aln-films.

hybrid: toekomstige rf-filters kunnen een combinatie van zorgvuldig ontworpen akoestische filters en lc-filters aannemen om een ​​win-win effect te bereiken. gepubliceerd onderzoek geeft aan dat de bandbreedte 900 mhz (3,3 - 4,2 ghz) is en bij 4,4 ghz (band n79), het biedt 36 db onderdrukking, met slechts een verschil van 200 mhz, wat zeker een helder vooruitzicht heeft.