本文轉(zhuǎn)載自刊登于semiengineering網(wǎng)站文章《The Search For 5G MmWave Filters》。

新的選擇有很多，但到目前為止還沒(méi)有明確的贏家。

蜂窩電話技術(shù)利用大量的頻帶，為移動(dòng)用途提供不斷增加的帶寬。其中的每一個(gè)頻帶都需要通過(guò)濾波器將信號(hào)與其他頻帶分離開，但目前用于手機(jī)的濾波器技術(shù)可能無(wú)法擴(kuò)展到 5G 所規(guī)劃的全部毫米波 (mmWave) 范圍。

毫米波時(shí)代終究會(huì)到來(lái)，但不是現(xiàn)在。地球探測(cè)衛(wèi)星服務(wù)的頻率是 23.8GHz，僅僅略低于為 5G 部署的毫米波頻段，所以必須對(duì)其進(jìn)行有效的過(guò)濾。——Resonant 企業(yè)發(fā)展部副總裁 Mike Eddy

到目前為止，這一切并沒(méi)有發(fā)生：

表面聲波（Surface acoustic wave ，SAW）器件或體聲波（Bulk acoustic wave ，BAW）器件的頻率不會(huì)超過(guò) 10GHz。——FormFactor 射頻部門業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Anthony Lord

其中也有一項(xiàng)挑戰(zhàn)：

這些濾波器中沒(méi)有一個(gè)可以在毫米級(jí)范圍內(nèi)工作，它們最高僅可以達(dá)到 6GHz 或 8GHz。對(duì)此，業(yè)界還沒(méi)找到有效的解決方案。——FormFactor 射頻產(chǎn)品組高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān) Tim Cleary

在目前的手機(jī)產(chǎn)品中，最常使用的是SAW 和 BAW濾波器。雖然隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，它們可能會(huì)在一定程度上超過(guò) 6GHz 的范圍，但距離毫米波設(shè)計(jì)針對(duì)的 28GHz 至 70GHz 范圍仍有一些差距。盡管目前對(duì)于空間限制較小的設(shè)備，有相應(yīng)的解決方案，但這些解決方案并不適用于手機(jī)。因此，這一領(lǐng)域仍需大力發(fā)展。

1. 頻帶數(shù)量急劇增長(zhǎng)

隨著新的手機(jī)技術(shù)相繼問(wèn)世，更多的頻帶被開放使用。術(shù)語(yǔ)“頻帶”可以有不同的含義，因?yàn)閷掝l帶是進(jìn)行分配和拍賣的，而單個(gè)信道指的是寬頻帶的子集。

小頻帶的數(shù)量正在急劇增加。對(duì)于利用頻分雙工 (Frequency-domain duplexing , FDD) 的信道，有兩個(gè)相鄰的子頻帶（一個(gè)用于發(fā)射，一個(gè)用于接收）被一個(gè)小間隙隔開，以防止干擾。當(dāng)使用時(shí)分雙工 (Time-domain duplexing，TDD) 時(shí)，整個(gè)信道就只有一個(gè)單頻帶。

這些頻帶或子頻帶中的每一個(gè)都需要一個(gè)帶通濾波器。隨著頻帶的數(shù)量激增，所需的濾波器數(shù)量也呈爆炸式增長(zhǎng)。如今的手機(jī)可能會(huì)搭載超過(guò) 60 個(gè)濾波器。5G 技術(shù)只會(huì)讓這個(gè)數(shù)字有增無(wú)減，從而為毫米波頻帶增加非常高的頻率。

理論上，一個(gè)帶通濾波器會(huì)讓該頻帶內(nèi)的所有信號(hào)通過(guò)，并拒絕該頻帶外的所有頻率。我們可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，它是將頻帶內(nèi)的信號(hào)乘以 1，頻段外的信號(hào)乘以 0。然而，實(shí)際應(yīng)用中的濾波器效果并不理想，帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。

2. 濾波器的功能

現(xiàn)實(shí)中的濾波器，并不是在頻帶邊緣”戛然而止”，相反，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(guān)鍵屬性，截止頻率是信號(hào)通過(guò)能力下降 3dB 的點(diǎn)（對(duì)應(yīng)于信號(hào)功率下降一半的點(diǎn)）。超過(guò) 3dB 衰減的斜率通常稱為下擺 (skirt)，下降趨勢(shì)需要做到非常陡峭。

雖然單獨(dú)設(shè)計(jì)這三個(gè)頻率（中心、上限和下限）可能是個(gè)好辦法，但在現(xiàn)實(shí)中，上限和下限截止頻率會(huì)一起移動(dòng)，以便設(shè)計(jì)中心頻率和整體寬度，后者跟著中心頻率一起移動(dòng)。而寬度通常就是中心頻率的百分比。

設(shè)計(jì)更寬的通帶可能是一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)，一些 5G 頻帶的寬度可以達(dá)到中心頻率的 20%。這給濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的壓力。

圖 1：簡(jiǎn)化的帶通濾波器，顯示了中心頻率 (f0)、通帶的下限 (fL) 和通帶的上限 (fH)。通帶的寬度為 B。來(lái)源：Inductiveload - Own work, Public Domain

在接收器的前端，需要盡早過(guò)濾掉散雜信號(hào)，防止其進(jìn)入射頻鏈路。這意味著在信號(hào)離開天線之后就進(jìn)行過(guò)濾。利用支持波束轉(zhuǎn)向的大規(guī)模多進(jìn)多出 (multiple-in/multiple-out ，MIMO) 技術(shù)，可以使用天線元件陣列。在這種情況下，每個(gè)元件都需要一個(gè)濾波器。

如今的元件間距是基于毫米波的間距，也就是說(shuō)間距大約是 5 毫米。所以必須要適應(yīng)這個(gè)間距。——Resonant 企業(yè)發(fā)展部副總裁 Mike Eddy

目前，這對(duì)毫米波來(lái)說(shuō)是不可能的，所以最終都是在信號(hào)通過(guò)混頻器之后進(jìn)行過(guò)濾。

基站的空間充足，能夠容納尺寸較大的濾波器，但手機(jī)對(duì)尺寸有苛刻的要求。在可預(yù)見的未來(lái)，小型濾波器的最佳頻率可能是 28GHz，因?yàn)檫@是手機(jī)可能使用的毫米波頻率。更高的頻率更有可能用于塔與塔之間的通信，因?yàn)檫@些系統(tǒng)不像手機(jī)那樣受空間限制。

對(duì)于基站之類的使用場(chǎng)景，我們將依賴陶瓷介質(zhì)濾波器和金屬腔體濾波器，只不過(guò)它們永遠(yuǎn)無(wú)法滿足移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的空間要求。——Cadence AWR 軟件技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān) David Vye

在早期，28 GHz（或相近）頻帶的濾波需求更加寬松：

最初幾年我們常常聽到，手機(jī)中不會(huì)有任何毫米波濾波器。因?yàn)槟菚r(shí)候還不會(huì)分解頻段，主要使用天線進(jìn)行濾波。——3D Glass 首席技術(shù)官 Jeb Flemming

既然如此，將天線做為一個(gè)濾波器可大致滿足需求，但在某些時(shí)候，我們需要為天線元件準(zhǔn)備真正的濾波器。那么，這些毫米波濾波器究竟如何制造？

3. 現(xiàn)有的濾波器技術(shù)

當(dāng)今手機(jī)中的大多數(shù)濾波器都使用聲波技術(shù)，其中涉及到壓電材料，它們?cè)陔妶?chǎng)影響下會(huì)發(fā)生輕微變形，物理變形后會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。因此，電信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械振動(dòng)也可以轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些機(jī)械振動(dòng)相當(dāng)于晶體內(nèi)的聲波。

通過(guò)建立一種聲學(xué)共振結(jié)構(gòu)，可以將輸入信號(hào)施加到諧振器的一端。該輸入信號(hào)由許多不同頻率的信號(hào)組成——有些是用于其他頻段的信號(hào)，而有些則是環(huán)境噪聲。濾波器的首要任務(wù)是消除通帶之外的任何信號(hào)。

通帶內(nèi)的信號(hào)頻率分量將引起聲學(xué)共振，接著聲波濾波器檢測(cè)到這些聲學(xué)共振，并將其轉(zhuǎn)換回濾波器另一端的電域。理想情況下，該輸出將由輸入信號(hào)組成，信號(hào)中所有不需要的頻率都被清除。

這些聲波濾波器有很多優(yōu)點(diǎn)，包括通帶干凈、尺寸非常小和有利的成本結(jié)構(gòu)，大批量生產(chǎn)也可降低成本。

在較低頻率下， SAW濾波器占主導(dǎo)地位。使用這些濾波器時(shí)，材料表面的波被激發(fā)，并耦合到同一表面附近的輸出端。

圖 2：一個(gè)簡(jiǎn)化的SAW濾波器。來(lái)源：Matthias Buchmeier — Own work, Public Domain

對(duì)于更高的頻率，BAW 濾波器則占主導(dǎo)地位。與低頻率下的 SAW 相反，BAW 不是在材料表面激發(fā)波，而是利用大量材料從頂部到底部產(chǎn)生共振，輸出電極位于下方。這需要更復(fù)雜的處理，因此它們的價(jià)格往往比 SAW 濾波器更昂貴。

圖 3：一個(gè)簡(jiǎn)化的獨(dú)立式 BAW (FBAR) 濾波器。來(lái)源：Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0

BAW 濾波器有兩種基本版本，區(qū)別在于內(nèi)部駐波的設(shè)置方式。一個(gè)版本需要從底部到頂部進(jìn)行反射，并且使用獨(dú)立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和空氣腔完成這項(xiàng)工作。

另一個(gè)版本使用一系列看起來(lái)像聲學(xué)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。

圖 4：一個(gè)簡(jiǎn)化的固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。來(lái)源：Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0

SAW 和 BAW 濾波器都是使用 MEMS 加工技術(shù)制造而成，但它們似乎在更高的頻率下會(huì)開始失效，這表明業(yè)界可能需要為毫米波頻段尋找新的濾波器。

4. 毫米波濾波器的選擇

毫米波無(wú)線電信號(hào)并不是新鮮事物。例如，雷達(dá)和微波裝置已經(jīng)在使用它們，但這些往往是只能處理一兩個(gè)頻率的大型裝置。對(duì)于 5G，必須對(duì)更多頻段進(jìn)行更加精細(xì)的過(guò)濾，而且要能把它們安裝到手機(jī)中。

SAW 和 BAW 已經(jīng)不被納入考慮范圍，但 Resonant 公司擁有XBAR 技術(shù)，并聲稱該技術(shù)可以擴(kuò)大聲學(xué)技術(shù)的可用范圍。該公司從頭開始重新設(shè)計(jì) BAW 濾波器，使用了不同的壓電材料——鈮酸鋰，并將兩個(gè)觸點(diǎn)都放在頂端上，類似于 SAW。

但是，它與 SAW 的主要區(qū)別在于，使用 XBAR 時(shí)，觸點(diǎn)不會(huì)有物理上的移動(dòng)：

使用 SAW，金屬棒會(huì)進(jìn)行物理移動(dòng)，也就意味著它們?cè)诮饘龠w移過(guò)程中失去了動(dòng)力。——Resonant 企業(yè)發(fā)展部副總裁 Mike Eddy

圖 5：2019 年 世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC）上展示的 XBAR 原型，中間的小方塊是過(guò)濾器。資料來(lái)源：Resonant

當(dāng)我們對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，XBAR 提供了 5G 所需的能量、帶寬和功率處理能力——尤其是當(dāng)我們專注于 3 至 5 GHz 時(shí)。現(xiàn)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(rèn)為可以。——Resonant 企業(yè)發(fā)展部副總裁 Mike Eddy

XBAR 濾波器看起來(lái)很有前景，重點(diǎn)在于，它代表了在這個(gè)頻率范圍內(nèi)的一種新方法。其他兩種眾所周知的毫米波濾波器技術(shù)是波導(dǎo)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(jìn)行共振，二者都有廣泛的結(jié)構(gòu)選擇，通常用于微波應(yīng)用。

這些諧振器的尺寸通常根據(jù)頻率范圍而定，尺寸或間距在四分之一波長(zhǎng)范圍內(nèi)。頻率越高，波長(zhǎng)越短，濾波器越小。對(duì)于 5G 頻率，諧振器的尺寸在縮小——但仍然不能夠裝入手機(jī)。

有一種成為‘波導(dǎo)腔’的介質(zhì)，它的高度和寬度決定了可以通過(guò)它傳播的能量。低于該頻率，能量不會(huì)傳播，高于某個(gè)頻率，就會(huì)出現(xiàn)調(diào)制問(wèn)題。——Cadence AWR 軟件技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān) David Vye

諧振器（通常作為柱子來(lái)實(shí)現(xiàn)）的使用有助于減少不必要的模式：

波導(dǎo)腔濾波器內(nèi)部有一些柱子，它的作用與陶瓷濾波器相同，特性是根據(jù)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(shù)量會(huì)影響衰減，即濾波器越多，衰減越快。但這樣一來(lái)，就增加了濾波器的長(zhǎng)度，也增加了過(guò)濾器的材料成本。——Cadence AWR 軟件技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān) David Vye

圖 6：一個(gè)使用柱子作為諧振器的簡(jiǎn)化波導(dǎo)濾波器。來(lái)源：維基百科用戶 SpinningSpark

對(duì)基站而言，由于可以容納更大的尺寸，該技術(shù)是適合的；但對(duì)于手機(jī)而言，這種濾波器的尺寸依然太大。

微帶濾波器是頻率高達(dá) 30 GHz 時(shí)的另一種選擇。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，在 PCB 上創(chuàng)建微帶線以支持電磁共振。不過(guò)依然存在制造差異問(wèn)題，而且 PCB 材料普遍被認(rèn)為質(zhì)量欠佳。

PCB 的厚度變化、材料介電常數(shù)的變化、印刷時(shí)線寬的變化以及溫度，都會(huì)改變通帶頻率。——Resonant 企業(yè)發(fā)展部副總裁 Mike Eddy

此外還有其他選擇可供考慮：

材料特性確實(shí)會(huì)推動(dòng)性能表現(xiàn)，但市場(chǎng)上的材料屈指可數(shù)。這些 Q 值非常高的共振陶瓷材料很特殊，通常價(jià)格更高。一直以來(lái)，多層陶瓷帽（multi-layer ceramic caps，MLCC）是一種合理的材料，但它們?cè)?25 GHz 左右開始失效。——3D Glass 首席技術(shù)官 Jeb Flemming

5. 集成基板的波導(dǎo)

由于毫米波頻率的波長(zhǎng)較短，因此在硅或其他材料中制作波導(dǎo)成為可能：

這幾乎就像 MEMS，因?yàn)檎趧?chuàng)建這些通道，微波信號(hào)可以通過(guò)蝕刻區(qū)然后在硅晶片上進(jìn)行金屬化。——Cadence AWR 軟件技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān) David Vye

3D Glass 通過(guò)光刻工藝在玻璃而非硅中制作波導(dǎo)，通過(guò)暴露在紫外線下選擇性地將非晶玻璃轉(zhuǎn)化為晶體。被轉(zhuǎn)化的結(jié)晶玻璃（實(shí)際上是陶瓷）更適合蝕刻，更便于創(chuàng)建通孔特征。

陶瓷在酸中的蝕刻速度比玻璃快 60 倍，我們可以制作空腔，但采用的是定時(shí)蝕刻，因?yàn)檫@種陶瓷層有玻璃貫穿其中。——3D Glass 首席技術(shù)官 Jeb Flemming

可以通過(guò)這種方式制造電感器等結(jié)構(gòu)，也可以用這種方式創(chuàng)建帶有諧振器的腔，用于毫米波濾波：

如果將金屬線用作諧振器，且?guī)缀跷g刻掉所有玻璃，那么諧振器大部分都將漂浮在空中。由于 5G 毫米波的限制因素是材料，所以如果能去除材料，并使其在空中漂浮且堅(jiān)固耐用，就算是成功了。懸浮的帶狀線可以達(dá)到 40 到 50 GHz 左右，而我們展示了 10% 到 15% 的帶寬，這是相當(dāng)廣泛的范圍。——3D Glass 首席技術(shù)官 Jeb Flemming

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(nèi)進(jìn)行大量的客戶開發(fā)，有人稱之為 5G，有人稱之為 6G。——3D Glass 首席技術(shù)官 Jeb Flemming

過(guò)去的濾波器設(shè)計(jì)涉及多種制造環(huán)節(jié)以優(yōu)化性能，但是變量太多，要求也很嚴(yán)格，不過(guò)現(xiàn)在我們可以使用仿真工具，以便在構(gòu)建濾波器之前對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。這有助于解決細(xì)節(jié)問(wèn)題，因?yàn)榧?xì)節(jié)很重要：

如何封裝以及如何連接到電路的其他部分非常重要，人們放棄了對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測(cè)試，依賴 EM（電磁模擬）技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。——Cadence AWR 軟件技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān) David Vye

Cadence 此前與 3D Glass 合作，使用 AWR? Microwave Office? 進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，所以非常熟悉 3D Glass 的工作：

在一個(gè)損耗非常低的結(jié)構(gòu)內(nèi)有金屬諧振器，這個(gè)結(jié)構(gòu)通過(guò)小玻璃基座懸浮在空中，形成非常小的濾波器——盡管并不像聲波濾波器那樣小。——Cadence AWR 軟件技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān) David Vye

結(jié)論

玻璃工藝的經(jīng)濟(jì)性十分誘人。考慮到對(duì)體積的需求，可以使用面板代替晶圓。一個(gè) 9'x9' 面板可以裝下很多濾波器，因此，雖然如今的工作是在 6 英寸和 8 英寸晶圓上進(jìn)行，而且一些客戶希望轉(zhuǎn)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(xiàn)，但這些可能性還沒(méi)有準(zhǔn)備好進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)，在濾波器技術(shù)領(lǐng)域尚未出現(xiàn)真正的贏家。5G 手機(jī)中的毫米波尚未完全實(shí)現(xiàn)，因此還有一些時(shí)間。但值得注意的是，業(yè)界目前面臨的問(wèn)題是制定一個(gè)可靠的計(jì)劃和路線圖，而不是一些可能奏效的想法。

審核編輯 黃宇