قبل أن يتمكن مشغلو الهواتف المحمولة والشركات المصنعة للمعدات الأصلية من الاستفادة من مزايا شبكة الجيل الخامس في سرعة البيانات ، وزمن الانتقال المنخفض للغاية ، والسعة الأكبر ، فإنهم بحاجة إلى التغلب على العديد من التحديات. تتراوح هذه من قضايا التكلفة للبنية التحتية والمعدات إلى ابتكار التقنيات التمكينية ، بما في ذلك مرشحات وحلول الترددات اللاسلكية ، وأجهزة الاستشعار ، وأجهزة التوقيت ، وأشباه الموصلات.
إحدى شركات الابتكار هذه هي شركة Resonant Inc.، وهي شركة تقدم حلول مرشحات الترددات اللاسلكية استنادًا إلى منصة برمجيات الملكية الفكرية (IP) الخاصة بها. قامت الشركة بتطوير مرشح XBAR RF الخاص بها التكنلوجيا، والذي يلبي متطلبات النطاق الترددي لـ 5G و واي فاي تطبيقات 6 و6e، باستخدام منصة برمجيات نمذجة العناصر المحدودة (FEM) القديمة، والتي تسمى الشبكات المركبة اللانهائية (ISN). قامت الشركة مؤخرًا بالترقية إلى منصة تصميم WaveX الجديدة، التي تم تقديمها في يونيو، والتي توفر إمكانية محاكاة FEM ثلاثية الأبعاد لتصميم مرشحات التردد اللاسلكي، مع الاستفادة من التنفيذ الهجين متعدد السحابات والمدعوم بوحدة معالجة الرسومات (GPU).
يشمل WaveX مجموعة من الخوارزميات الخاصة وأدوات تصميم البرامج وتقنيات توليف الشبكة. يسمح لفريق التصميم الرنان بتحديد أسباب توتنهام ، وتحسين العزلة ، وتقليل فقدان الإدراج ، وإدارة النطاق الترددي ، والتردد المركزي ، والتي تعد من المتطلبات الحاسمة لمرشحات 5G عالية الأداء و Wi-Fi و Ultra-wideband (UWB).
يوفر Resonant محاكاة التصميم ، استنادًا إلى الموجات الصوتية السطحية (SAW) وتقنيات SAW (TC-SAW) المعوضة درجة الحرارة ، لعملائها الذين يصنعونها في مصانعهم أو في أحد شركاء Resonant المسبك.
إلكتروني المنتجات تحدث مع مايك إيدي من Resonant ، نائب رئيس تطوير الشركات ، حول فلاتر الترددات اللاسلكية كتقنية تمكينية لـ 5G. هنا مقتطف من المناقشة.
المنتجات الإلكترونية: أين تستخدم الفلاتر؟
مايك إيدي: تُستخدم المرشحات في العديد من الأجهزة المختلفة ولكن بشكل خاص في الهواتف الذكية حيث تحتاج إلى إدارة نطاقات تردد متعددة. الهاتف الذكي النموذجي ، مثل iPhone 12 أو 11 ، سيحتوي في مكان ما من 60 إلى 80 فلترًا.
لا يمكنك ضبط المرشحات ، لذلك ، يحتاج كل نطاق تردد مختلف في الهاتف إلى مرشح. ولأن كل شيء يتعلق بالنطاق الترددي ، فإنك تحتاج أيضًا إلى تجميع نطاقات متعددة ، ولهذا السبب يحتوي الهاتف الذكي على العديد من الهوائيات. يحتاج كل هوائي إلى مجموعة جديدة كاملة من مكونات التردد اللاسلكي مما يعني مجموعة جديدة كاملة من المرشحات. لذلك ، على سبيل المثال ، iPhone 12 ، أعتقد أنه يحتوي على ما يشبه خمسة هوائيات - أحدهما مخصص لشبكة Wi-Fi Bluetooth و GPS والأربعة الأخرى كلها للهواتف الخلوية.
الجانب المثير للاهتمام في 5G هو أنها مجموعة جديدة من نطاقات التردد التي تكون ذات تردد أعلى بكثير. كان الجيل الثالث في المقام الأول حول ترددات 3 جيجاهرتز ؛ كان 1G يقارب 4 جيجاهرتز ، وعندما تنظر إلى 2G حيث تريد الحصول على معدلات بيانات سريعة جدًا جدًا وتأخيرات قصيرة جدًا ، فأنت بحاجة إلى نطاقات عريضة ، والترددات أقل من 5 جيجاهرتز ممتلئة الآن. لذلك ، من أجل الحصول على نطاقات تردد جديدة عريضة النطاق الترددي 3G ، مما يعني ارتفاع معدلات البيانات والتأخير المنخفض ، تحتاج إلى النظر إلى ما فوق 5 جيجاهرتز. لهذا السبب تسمع مع 3G عن هذه النطاقات في موجة 5 و 77 ملم (mmWave). كلاهما أعلى من 79 جيجاهرتز ، لذلك على سبيل المثال ، يقع n3 في نطاق 77 إلى 3.3 جيجاهرتز ، لذا فهو نطاق ترددي أوسع بكثير ولكن مرة أخرى تردد أعلى بكثير.
5G sub-6-GHz ونطاقات Wi-Fi بترددات 3 جيجاهرتز إلى 7 جيجاهرتز (المصدر: الرنين) انقر للحصول على صورة أكبر.
المنتجات الإلكترونية: كيف تغير شبكة الجيل الخامس متطلبات المرشحات؟
مايك إيدي: من الجيل الثالث إلى الجيل الرابع ، انتقلت من حوالي 3 جيجاهرتز إلى 4 جيجاهرتز ، وارتفع عرض النطاق الترددي من 1 إلى 2 ميجاهرتز إلى 30 إلى 40 ميجاهرتز. عندما كنت في 60 جيجاهرتز ، 70G ، كانت الموجة الصوتية للرنين أو اللبنات الأساسية للمرشحات تسمى SAW أو الموجة الصوتية السطحية. إنه جهاز بسيط للغاية بهيكل قبة معدنية فوق ركيزة كهرضغطية ، والمعدن يتحرك جسديًا من أجل توليد صدى يمكنك من خلاله بناء مرشح. كان هذا هو الرنان الكهروضغطي المثالي لهذا النوع من التردد وعرض النطاق الترددي.
عندما تنتقل من الجيل الثالث إلى الجيل الرابع ، فإن المتطلبات مختلفة تمامًا ، فهي 3 جيجاهرتز [تردد] وهو الآن 4 إلى 2 ميجاهرتز عرض النطاق الترددي. يمكن دفع SAW من أجل تلبية هذه المتطلبات الجديدة ولكنها لم تكن الأمثل.
وهكذا توصلت شركة Broadcom ، Avago في ذلك الوقت ، إلى الهيكل الأمثل لهذه المتطلبات الجديدة ، والتي أطلقوا عليها اسم FBAR [مرنان صوتي للأفلام السائبة]. إنها في الأساس أسطوانة معدنية حول [ركيزة] كهرضغطية ، وهي عبارة عن نيتريد الألومنيوم ، ثم تهتز تلك القبة المعدنية بتردد يبلغ حوالي 2 جيجاهرتز مع النوع الصحيح من النطاق الترددي. [استحوذت Avago على Broadcom في عام 2015.]
الآن بالانتقال من 4G إلى 5G ، مرة أخرى ، المتطلبات مختلفة تمامًا. أنت تتحدث عن 3.5-4.5 جيجاهرتز وليس 5G فقط. نطاقات Wi-Fi الجديدة هي 6 جيجاهرتز والنطاق العريض للغاية (UWB) المستخدم في السيارة للحصول على موقع دقيق للغاية في نطاق 7 جيجاهرتز. كل هذا مدفوع بحقيقة أنك بحاجة إلى هذه النطاقات العريضة ولا يوجد شيء متاح أقل من 3 جيجاهرتز.
يحاول المصنعون الذين صنعوا جيدًا في 4G ، توسيع أداء هيكل الموجات الصوتية (BAW) ، FBAR ، من خلال إجراء منشطات المواد وإضافة عناصر إضافية من أجل تلبية المتطلبات الجديدة للفلاتر. نظرًا لأننا شركة ترخيص وليس لدينا أي متاع قديم قائم على الهندسة أو التصنيع أو المسبك ، فإن ما فعلته شركة Resonant هو النظر في أفضل هيكل ، أو لبنة بناء ، لهذه المتطلبات الجديدة.
لدينا أداة برمجية قوية جدًا ودقيقة وفحصنا مئات وآلاف الأنواع المختلفة من الهياكل لهذه المرشحات وتوصلنا إلى XBAR [نوع من مرنان BAW الصوتي] ، والذي نعتقد أنه يحتوي على معامل الاقتران الصحيح من أجل تلبية المتطلبات عرض النطاق الترددي 600 ميجاهرتز و 900 ميجاهرتز و 1200 ميجاهرتز بترددات من 3 إلى 13 جيجاهرتز وحتى أبعد من ذلك. لكن تركيزنا الرئيسي الآن هو في النطاق 3-8 جيجاهرتز ، حيث يوجد معظم السوق الآن.
مرنان XBAR ، يظهر المقطع العرضي للهيكل الأساسي والموجة السائبة التي تثيرها أصابع محول الطاقة بين الأصابع المعدنية (المصدر: الرنين) انقر للحصول على صورة أكبر.
منتجات الإلكترونيات: بالإضافة إلى متطلبات الأداء الجديدة ، ما مدى صعوبة الاستمرار في تقليص حجم المرشحات من أجل ملاءمة الكثير منها في هاتف ذكي للتعامل مع نطاقات التردد المختلفة؟
مايك إيدي: إنه أمر بالغ الأهمية. عندما تنظر إلى مدى ثخانة الهاتف الذكي هذه الأيام ، عليك حقًا توخي الحذر بشأن ارتفاع المرشحات. يبلغ حجم مرشح ممر النطاق النموذجي في الهاتف حوالي ملليمتر واحد بسماكة 35 مم تقريبًا. إذن هذه الأشياء هي مجرد مواصفات من الغبار ولكن هناك الكثير منها لدرجة أنها تشغل مساحة كبيرة.
منتجات الإلكترونيات: ماذا يحدث إذا لم تحدد مرشح الترددات اللاسلكية المناسب لتطبيقك؟ كيف تؤثر على الأداء؟
مايك إيدي: إذا نظرت إلى تمزيق 5G وحدة ومرشحات 5G التي يتم استخدامها الآن في المراحل الأولى من 5G، فإن المرشحات سيئة للغاية. إنهم لا يرفضون التداخل المحتمل جيدًا والسبب الذي يجعلهم قادرين على العمل الآن هو عدم وجود الكثير من حركة المرور. عندما تحصل على حركة المرور على نطاقات تردد 5G الجديدة هذه، يتعين عليك رفض هذه التداخلات المحتملة. إن مفتاح الأداء هو ما يسمى بنسبة الإشارة إلى التداخل والضوضاء [SINR]، لذلك تريد أن تكون الإشارة أعلى من مستوى الضوضاء.
وكلما زاد مستوى الضوضاء فوق الأرضية لديك تلك الإشارة ، كلما كان معدل البيانات أسرع وكلما كانت تجربة المستخدم أفضل. إذا لم تتمكن من رفض مصادر التداخل المحتملة في نطاقات التردد المجاورة ، فإن هذا التداخل يرفع مستوى الضوضاء. لذلك ، فإن تحويل الإشارة إلى الضوضاء لديك يزداد سوءًا مما يعني أن معدل البيانات لديك يتدهور بشكل كبير ، مما يعني في النهاية أنه لا يمكنك الحصول على جودة الفيديو التي تريدها وستحصل على انخفاض كبير في عمر البطارية لأن بطاريتك تحاول العمل بجدية أكبر من أجل للحصول على الإشارة.
يتعلق الجزء الآخر من 5G بمعدل البيانات والتأخير. إذا كنت تقضي الكثير من الوقت في إعادة الإرسال لأن جودة الإشارة ليست جيدة ، فأنت تتأخر أيضًا. لهذا السبب تعتبر الفلاتر مهمة جدًا لأنك إذا كنت تريد حقًا الحصول على التجربة التي تعد بها شبكة الجيل الخامس ، فأنت تريد حقًا حماية هذا النطاق الترددي. دفعت Verizon أكثر من 5 مليار دولار مقابل C-block في الولايات المتحدة وآخر شيء يريدون فعله هو دفع كل هذه الأموال والعثور على تجربة المستخدم ليست قريبة مما هو متوقع لـ 40G.
منتجات الإلكترونيات: كيف تقلل SINR من عمر البطارية؟
مايك إيدي: تخبرك نظرية فيزياء تسمى قانون شانون [نظرية قدرة شانون-هارتلي] بنوع السعة ومعدل البيانات الذي يمكنك الحصول عليه من قناة الترددات الراديوية. إنها معادلة بسيطة للغاية: إنها عرض النطاق الترددي وعدد مسارات التردد اللاسلكي في الهاتف وعدد الهوائيات ونسبة الإشارة إلى التداخل والضوضاء.
تؤثر هذه الأجيال المختلفة من التكنولوجيا اللاسلكية على هذه الأشياء الثلاثة ، لذا فإن النطاق الترددي يعني نطاقات تردد جديدة أوسع وتجمع نطاقات تردد متعددة ؛ يتعلق الأمر بعدد مسارات التردد اللاسلكي وهو عدد الهوائيات ونسبة الإشارة إلى التداخل ونسبة الضوضاء ، مما يعني الحماية باستخدام المرشحات وتقريب مصدر الإشارة من المستخدم. لهذا السبب تسمع كثيرًا مع 5G عن تكثيف الشبكة والخلايا الصغيرة لأنه كلما اقتربت من مصدر الإشارة هذا ، زادت قوة الإشارة ، وبالتالي زادت نسبة SINR - الإشارة إلى التداخل ونسبة الضوضاء.
منتجات الإلكترونيات: ما هي تقنية XBAR وكيف تحل بعض تحديات 5G هذه؟
مايك إيدي: أداة البرمجيات الخاصة بنا هي أداة نمذجة العناصر المحدودة (FEM) تسمى الشبكات المركبة اللانهائية لتطوير مرشحات الموجات الصوتية المعقدة. إذا عرفنا خصائص المواد والأبعاد المادية ، فيمكننا التنبؤ بدقة بأداء المرشح. لقد طورناها من أجل الموجات الصوتية السطحية (SAW) ، وهي تقنية 3G ، و TC-Saw [درجة الحرارة المعادلة SAW] ، وهي امتداد لتقنية 3G للجيل الرابع.
منذ حوالي ثلاث سنوات ، كنا نتطلع إلى توسيعه ليشمل تقنية الموجات الصوتية (BAW) ولكننا أدركنا أيضًا أن 5G قادم. عندما نظرنا إلى 5G ، لم نتمكن من رؤية كيف ستعمل تقنية 4G BAW مع هذه المتطلبات الجديدة. لذا بدلاً من قضاء بعض الوقت في ذلك ، قررنا أن ننظر إلى ما يمكن أن يكون أفضل تقنية موجات صوتية للمتطلبات الجديدة لشبكة 5G. وذلك عندما اخترعنا XBAR. مع تقاطع تقنية تصميم البرامج الدقيقة للغاية والركائز الهندسية وفريق التصميم الموهوب لدينا ، قمنا بتطوير XBAR ، وهي تقنية BAW مختلفة تمامًا عن أي شيء كان موجودًا في السابق. إنه يتطابق مع عرض النطاق الترددي العريض ، والتردد العالي ، ومتطلبات معالجة الطاقة العالية [5G].
الجزء الآخر المتعلق بالتردد العالي يعني أن الإشارات لا تنتشر بقدر إشارات التردد المنخفض ، لذا فإن طريقة الالتفاف حول ذلك هي زيادة الطاقة. هذا يعني أن جميع المكونات في سلسلة RF يجب أن تكون قادرة على التعامل مع طاقة أعلى ووجدنا أن XBAR يمكنه تلبية جميع هذه المتطلبات الجديدة.
عرضنا [المستندة إلى XBAR] مرشحات 5G RF لجميع اللاعبين الرئيسيين في الصناعة. لقد كانوا متحمسين للغاية حيال ذلك لأن الجميع أدرك أن المتطلبات تتغير بالنسبة لـ 5G. في Mobile World Congress 2019 ، أظهرنا مرشحًا توضيحيًا باستخدام XBAR يحتوي على جميع المتطلبات الصحيحة لـ 5G. يطلق عليه مرشح n79 مع عرض نطاق ترددي 600 ميجاهرتز من 4.4 إلى 5 جيجاهرتز ، والذي رفض إشارات n77 و Wi-Fi المجاورة.
الشركة التي تحركت بشكل أسرع للعمل معنا كانت شركة يابانية - أكبر شركة مصنعة للمرشحات في العالم. وسرعان ما وقعوا اتفاقية للاستثمار في Resonant ووقعوا أيضًا اتفاقية تطوير لمرشحات RF باستخدام XBAR. لقد عملنا من خلال برنامج التطوير هذا وحققنا المرحلة الرئيسية الثانية في أواخر العام الماضي. هذا يعني أننا استوفينا جميع المتطلبات التقنية للأداء والتعبئة والموثوقية وأنهم ينقلون [مرشحات RF المستندة إلى XBAR] للتسويق. نتوقع أن نرى تصميماتنا في شبكات 5G و Wi-Fi و UWB كجزء من سوق الهواتف الذكية مع دخولنا عام 2022. [وقعت Murata اتفاقية تجارية متعددة السنوات لـ XBAR في عام 2019.]
الخصائص الرئيسية لمرنان XBAR الذي يلبي متطلبات 5G (المصدر: الرنان) انقر للحصول على صورة أكبر.
المنتجات الإلكترونية: هل هناك أي شيء آخر ترغب في إضافته للمهندسين والمصممين المشاركين في تصميمات 5G؟
مايك إيدي: هناك دائمًا أشخاص أذكياء في أي شركة وهناك الكثير من الهندسة القديمة ، والملكية الفكرية ، والمسابك ، والتصنيع المرتبط بكل تلك التقنيات السابقة. سيجدون طريقة لجعلها تعمل من أجل 5G - النطاق الترددي العريض والتردد العالي - لكنها دائمًا حل وسط.
يمكن لـ XBAR تغطية النطاق الترددي بأكمله بفلتر واحد. نحن نرى بالفعل ما تفعله الشركات الأخرى. إنهم يقومون بفلاتر متعددة لتغطية عرض النطاق الترددي. سيعمل ذلك ولكن في عالم XBAR سيكون دائمًا غير تنافسي لأنه سيكون أكبر ، وسيكون أكثر تكلفة ، وسيكون أداءه أقل لأن لديك المزيد من الخسائر مقارنة بجهاز واحد يغطي نطاق التردد بأكمله.
يعلم الجميع أنه في عامي 2022 و 2023 ، عندما تكون شبكات 5G في مكانها الصحيح ، ستحتاج إلى مرشحات عالية الأداء من أجل الحصول على تجربة 5G. 5G بصيغتها الحالية هي الموجة الأولى ، وهي تجربة تسويقية أكثر من كونها تجربة مستخدم. إنها شركة النقل التي يمكنها المطالبة بأول شبكة على مستوى الدولة وأي شركة نقل يمكنها المطالبة بأفضل أداء. أداء 5G في الوقت الحالي هو نفس أداء 4G.
بمجرد نشر الشبكة بنطاقات طيفية جديدة وترددات جديدة وتبدأ في تكثيف الشبكة عندما ترى 700 ميغا بايت / 1 جيجابت في الثانية من النوع مع تأخير أقل من 10 مللي ثانية. هذا بالمقارنة مع 20-30 ميغابت في الثانية التي تراها الآن لأننا لم ننشر الشبكة الحقيقية بعد.
منتجات الإلكترونيات: هل تعتقد أن فلاتر الترددات اللاسلكية تمثل عقبة أمام أداء شبكة الجيل الخامس؟
مايك إيدي: على سبيل المثال ، يستغرق تنزيل فيلم نموذجي حوالي 25 دقيقة الآن على شبكة 4G نموذجية أو شبكة 5G في مرحلة مبكرة. إذا كان لديك تطبيق 5G كامل مع تصفية عالية الأداء ، فسيكون ذلك في حدود 13 أو 14 ثانية.
5G مختلفة تمامًا عن الأجيال الخلوية السابقة. إنها تزيد من سرعة البيانات هذه ، وقطع الأسلاك ، واستخدام [حالات] اللاسلكي لحياتك اليومية. يتيح الجمع بين سرعة البيانات والتأخير المنخفض إمكانية التطبيقات الجديدة. هذا هو السبب في أنك تسمع الكثير عن الشبكات الخاصة ، والصناعة 4.0 ، والسيارات ذاتية القيادة ، والعمليات الجراحية عن بُعد. لقد بدأت في فتح تطبيقات جديدة بسبب الاستخدامات المختلفة تمامًا التي يمكن تصورها لمعدلات بيانات عالية وتأخير منخفض.