声波谐振器助力5G高性能射频滤波器发展
2020-08-08 11:34:23   来源：微波和射频   评论：0   点击：

为了解决Wi-Fi和5G部分的相邻频谱共存问题，需要重新考虑构成5G移动设备中带通滤波器的核心——谐振器。

据麦姆斯咨询介绍，4G LTE网络的激增、最新5G网络的部署以及Wi-Fi的无处不在，正在推动智能手机和其它移动设备支持的射频（RF）频段数量急剧增加，频谱拥挤也导致干扰频率大量增加。所以，必须使用滤波器将每个频段隔离开，以避免互相干扰——因为这会耗尽电池寿命，降低数据速度并导致电话掉线。

图1 在美国无线电频谱的300 MHz至3 GHz中突出显示的部分是应用于移动设备的2 GHz频带

滤波器是一种选频装置，通过耦合基本元件或谐振器来实现，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

那么，什么是谐振器呢？各种谐振结构被用来构建针对不同应用的滤波器。表1给出常见的谐振器结构类型，并比较了它们在成本、性能、尺寸方面的优劣。

表1 谐振器结构类型（成本、性能、尺寸比较）

分立式电感-电容（LC）滤波器是无源电路，其中电感器阻断高频信号并传导低频信号，而电容器则相反。如果将滤波功能通过印刷电路板（PCB）层压基板中的集成无源器件（IPD）实现，这会显得非常紧凑。这种类型的滤波器具有低通带损耗，但是它们并不能在接近频率的范围内抑制潜在的干扰信号。

腔体谐振器成本高且体积大。但是，对于大功率蜂窝基站，由于它们能够处理非常大功率的信号（数十瓦），因此它们是首选的滤波器类型。

多层陶瓷滤波器的插入损耗非常低，但是潜在干扰信号的衰减也很差。另外，相对于IPD，这些器件体积很大，尤其是在高度方面，这限制了射频模块的使用。这种滤波器适用于非常高的毫米波频带。

从单块陶瓷滤波器到声波谐振器

早期的移动电话使用单块陶瓷（monoblock ceramic）滤波器（如图2所示），以满足所需的滤波性能特征。但是，与当今的智能手机（需要多达40至50个滤波器）相比，早期功能手机所需的滤波器很少。单块陶瓷滤波器由于尺寸较大且成本高，目前在智能手机中的使用受到很大限制。

图2 1994年在摩托罗拉（Motorola）手机中使用的单块陶瓷滤波器

随着声波谐振器的发展，现代手机射频架构以及智能手机的使用激增。这些基于压电效应的声波谐振器结合了低成本、小尺寸和高性能的特点，适用于当前4G/5G的智能手机频率范围和信号功率范围。

表2 电磁波和声波在不同介质中的传播速度和波长（@2GHz）

由于晶体结构中的不对称性，压电效应存在于某些晶体中。例如，在图3所示的铌酸锂（LiNbO3）晶格结构中，锂和铌离子从氧八面体的中心偏移。

图3 图中的标识线表示铌酸锂晶体结构中的不对称性，从而导致压电效应

因此，当对该晶体施加电压时，它将产生机械变形，从而将电能转换为机械能。当机械压缩或拉伸该晶体时，情况恰恰相反。电荷在晶体结构的相对面上形成，导致电流在电路中流动。

交替的机械变形会产生声波，并以每秒4000至12000米的速度传播。根据金属-压电结构的具体细节，声波可引发在压电晶体表面或体内传播。实际上，即使在表面声波（SAW）和体声波（BAW）两大类别中，也存在一系列具有不同特性的声波（图4）。

图4 BAW和SAW声波之间的差异

为了设计声波滤波器，会将多个谐振器耦合在一起以形成通带，通常采用“阶梯”配置的形式。这种配置会交替使用串联和并联谐振器。声波滤波器的主要特征包括：

- 带宽指信号所占据的频带宽度，一个常用量是分数带宽（Fractional Bandwidth, FBW），因为滤波器通带/中心频率的宽度表示为频带频率的百分比。这与声波谐振器的关键参数——耦合系数或k²有关。

- 在频谱较低的频率下，需要更大尺寸的谐振器；而在较高的频率下，则谐振器尺寸变小。

- 损耗是指信号通过滤波器时强度的降低。低损耗可最大化信号效率，从而降低发射信号的信号功率，进而延长了电池寿命。

- 移动信号的功率水平继续上升，因为频率高的信号传播距离短，并且需要更大的功率来覆盖传播范围。这对滤波器提出了更高的可靠性要求。

其中许多参数是设计、材料选择和制造工艺的函数。但是，带宽是谐振器的基本特性之一。对于声波谐振器，每个独立的谐振器都有两个“谐振频率”，即谐振频率和反谐振频率。这两个谐振频率间隔（以耦合系数或k²为特征）确定了最佳的滤波器带宽。

以下是有关声波原理的重要公式：

其中，λ是声波波长，v是波速，f是共振频率。

其中，k²是耦合系数，fr是谐振频率，而fa是反谐振频率。

从谐振器到滤波器，声波梯形滤波器的最大可实现带宽受到与k²有关的谐振-反谐振频率分离的限制。（注：声波谐振器的频率分离表示在其谐振频率与反谐振频率之间的差值。声波谐振器的百分比分离是在其谐振频率与反谐振频率之间的百分比频率分离。）

图5 阻抗与频率模型显示了声波谐振器的谐振频率和反谐振频率（左图）；通过级联多个谐振器，可以产生一个通带滤波器（右图实线）。

滤波器性能受以下因素的影响：耦合系数（较高的耦合会增加带宽）、谐振器数量（更多的谐振器会以损耗为代价增加带宽）、品质因数（更高的品质因数可降低损耗，尤其是在频带边缘）、温度稳定性。

图6 滤波器性能的影响因素：耦合系数（左上方）、谐振器数量（右上方）、品质因数（左下）、温度稳定性（右下）。

5G滤波器

5G智能手机的关键应用涉及激增的流视频和相关流服务，例如游戏、AR/VR和视频直播，所有这些都取决于设备的高带宽。为了显着提升无线宽带的容量和速度，需要更广泛的频谱范围以及可用频谱聚合。因此，5G具有比4G更宽和更高频率的频谱分配。

大带宽对于实现高数据速率至关重要。就瞬时带宽而言，仅在3 GHz以上可用。因此，这些新频段的滤波器要求与4G完全不同。5G需要数百兆赫兹的频谱和3 GHz以上的频率（而不是2 GHz左右的数十兆赫兹的频谱），以及用于保护此带宽的滤波器。

当然，可以通过改进用于3G和4G的声波谐振器（通过掺杂压电效应和添加外部电感器）以增加可实现的带宽。但是，这是以其它性能参数为代价的，并不可取。

传统的声波谐振器是为前几代无线技术（2G、3G和4G）以及更窄的相关带宽开发的，而如今的无线技术需要新的谐振结构，并根据实际需求不断优化。

XBAR是一种体声波（BAW）谐振器，不适用于较窄带宽的滤波器，但与5G完美匹配（图7）。我们仍处于5G的早期阶段；由于用户流量较低，高性能滤波尚未体现价值。但是，随着越来越多的用户采用5G，紧密接近的多个频率将迅速引起干扰问题。

图7 不同的声波谐振结构以相应的成本和性能展示了其对不同无线网络的适用性

5G与Wi-Fi共存

与蜂窝技术历史上的任何其它技术不同，5G和Wi-Fi将面临共存的挑战。n77和n79 5G频段与5 GHz Wi-Fi频段在频率上相邻，几乎没有很好的“保护带”将它们分开。新的Wi-Fi 6（802.11ax）标准在n79频段附近运行，n79频段又与n77频段相邻。

图8 5G和Wi-Fi频段展示

射频产业研究公司Navian的一份报告总结了上述共存问题：“Wi-Fi的5 GHz频段对智能手机至关重要，它位于4.5 GHz和6至7 GHz频段之间。如果要充分利用这些频段，则每个带宽都需要一个‘陡峭’的滤波器。同样地，对于n77和n79 5G频段，由于200 MHz的频段间隙太窄而无法充分利用，因此同时需要应用于这些频段的高性能滤波器。”

如图9所示，n77和n79之间仅存在200 MHz的间隔，而n79和5 GHz Wi-Fi 6频率之间仅存在150 MHz的间隔。这些频段的滤波器需要具有较大的耦合系数和较高的品质因数。XBAR技术可以阻止干扰信号，以减轻5G和Wi-Fi频段之间的干扰和通过每个频段的最大带宽，从而防止Wi-Fi信号渗入n79数据路径，反之亦然。

图9 高性能滤波器被用来防止频段间的干扰，实现5G和Wi-Fi频段的共存/工作

那么，不良的滤波对5G无线速度有何影响？这将如何影响5G用户体验？干扰将大大减慢5G数据吞吐量的速度，其速度将取决于干扰的程度。使用正确的5G高性能滤波器时，一个3 GB影片的下载时间为34秒，但如果没有该滤波器，则下载时间可能会花费20分钟或更长时间（图10）。

图10 展示在各种无线带宽下3 GB文件的下载速度和时间

5G网络的带宽需求正在推动新一代射频滤波器的发展，而滤波器又需要新一代的谐振器来实现高吞吐量和信号共存。声波谐振器已成为领先的技术，因为它们具有合适的性能范围，可以为5G应用构建最佳的滤波器。5G设备可能需要多达100颗滤波器，这对于优化谐振器结构以最佳匹配性能要求显得至关重要！