Bevor Mobilfunkbetreiber und OEMs das Potenzial der Vorteile von 5G in Bezug auf Datengeschwindigkeit, extrem niedrige Latenz und größere Kapazität nutzen können, müssen sie mehrere Herausforderungen meistern. Diese reichen von Kostenfragen für Infrastruktur und Ausrüstung bis hin zur Innovation von Basistechnologien, einschließlich HF-Filtern und -Lösungen, Sensoren, Zeitmessgeräten und Halbleitern.
Eines dieser Innovationsunternehmen ist Resonant Inc., ein Anbieter von HF-Filterlösungen, die auf seiner Softwareplattform für geistiges Eigentum (IP) basieren. Das Unternehmen hat seinen XBAR-HF-Filter entwickelt Technologie, das die Bandbreitenanforderungen für 5G erfüllt und Wi-Fi 6- und 6e-Anwendungen unter Verwendung seiner alten Softwareplattform für Finite-Elemente-Modellierung (FEM), genannt Infinite Synthesized Networks (ISN). Das Unternehmen hat kürzlich ein Upgrade auf die im Juni eingeführte neue WaveX-Designplattform durchgeführt, die 3D-FEM-Simulationsfunktionen zum Entwerfen von HF-Filtern bietet und dabei eine hybride Multi-Cloud-Implementierung mit GPU-Unterstützung und großem Speicher nutzt.
WaveX umfasst eine Reihe von proprietären Algorithmen, Software-Designtools und Netzwerksynthesetechniken. Es ermöglicht dem Resonant-Designteam, die Ursachen von Spurs zu identifizieren, die Isolierung zu optimieren, Einfügungsverluste zu minimieren, die Bandbreite und die Mittenfrequenz zu verwalten, die kritische Anforderungen für leistungsstarke 5G-, Wi-Fi- und Ultrabreitband-(UWB)-Filter sind.
Resonant bietet seinen Kunden Designsimulationen auf der Grundlage von Oberflächenwellen (SAW) und temperaturkompensierten SAW (TC-SAW)-Technologien, die sie in ihren Fabriken oder bei einem der Gießereipartner von Resonant herstellen.
elektronisch Produkte sprach mit Mike Eddy von Resonant, Vice President of Corporate Development, über HF-Filter als Basistechnologie für 5G. Hier ein Auszug aus der Diskussion.
Elektronische Produkte: Wo werden Filter eingesetzt?
Mike Eddy: Filter werden in vielen verschiedenen Geräten verwendet, insbesondere aber in Smartphones, bei denen Sie mehrere Frequenzbänder verwalten müssen. Ein typisches Smartphone wie ein iPhone 12 oder 11 verfügt über 60 bis 80 Filter.
Sie können keine Filter einstellen, daher benötigt jedes andere Frequenzband in einem Telefon einen Filter. Und weil es nur um Bandbreite geht, müssen Sie auch mehrere Bänder aggregieren, deshalb hat ein Smartphone viele Antennen. Jede Antenne benötigt einen ganz neuen Satz von HF-Komponenten, was einen ganz neuen Satz von Filtern bedeutet. Zum Beispiel hatte ein iPhone 12, glaube ich, ungefähr fünf Antennen – eine für Wi-Fi Bluetooth und GPS und die anderen vier waren alle für Mobilfunk.
Der interessante Aspekt von 5G ist, dass es sich um einen neuen Satz von Frequenzbändern handelt, die eine viel höhere Frequenz aufweisen. Bei 3G ging es hauptsächlich um 1-GHz-Frequenzen; 4G war ungefähr 2-GHz-Frequenzen, und wenn Sie sich 5G ansehen, wo Sie sehr, sehr schnelle Datenraten und sehr, sehr kurze Verzögerungen haben möchten, benötigen Sie große Bandbreiten, und die Frequenzen unter 3 GHz sind jetzt voll. Um also für 5G neue Frequenzbänder mit großer Bandbreite zu erhalten, was hohe Datenraten und geringe Verzögerung bedeutet, mussten Sie über 3 GHz suchen. Deshalb hört man bei 5G von diesen Bändern in 77 und 79 Millimeterwelle (mmWave). Sie liegen beide über 3 GHz, also liegt n77 beispielsweise im Bereich von 3.3 bis 4 GHz, also eine viel größere Bandbreite, aber auch eine viel höhere Frequenz.
5G-Sub-6-GHz- und Wi-Fi-Bänder in den Frequenzen 3 GHz bis 7 GHz (Quelle: Resonant) Klicken Sie für eine größere Abbildung.
Elektronische Produkte: Wie verändert 5G die Anforderungen an Filter?
Mike Eddy: Von 3G auf 4G ging man von etwa 1-GHz auf 2-GHz-Frequenz, und die Bandbreiten gingen von 30 bis 40 MHz auf 60 bis 70 MHz. Als Sie bei 1 GHz, 3G waren, wurde die akustische Welle von Resonanz- oder Filterbausteinen SAW oder akustische Oberflächenwelle genannt. Es ist ein sehr einfaches Gerät mit einer Metallkuppelstruktur auf einem piezoelektrischen Substrat, und das Metall bewegt sich physisch, um eine Resonanz zu erzeugen, aus der Sie einen Filter bauen. Das war der perfekte piezoelektrische Resonator für diese Art von Frequenz und Bandbreite.
Wenn Sie von 3G zu 4G wechseln, sind die Anforderungen sehr unterschiedlich, es sind 2 GHz [Frequenz] und jetzt eine Bandbreite von 60 bis 70 MHz. SAW konnte forciert werden, um diese neuen Anforderungen zu erfüllen, aber es war nicht optimal.
Und so entwickelte Broadcom, damals Avago, die optimale Struktur für diese neuen Anforderungen, die sie FBAR [Film Bulk Acoustic Resonator] nannten. Es ist im Grunde eine Metalltrommel um ein piezoelektrisches [Substrat], das aus Aluminiumnitrid besteht, und diese Metallkuppel schwingt dann mit einer Frequenz von etwa 2 GHz mit der richtigen Bandbreite. [Avago erwarb Broadcom im Jahr 2015.]
Auch beim Umstieg von 4G auf 5G sind die Anforderungen sehr unterschiedlich. Sie sprechen von 3.5-4.5 GHz und es ist nicht nur 5G. Die neuen WLAN-Bänder liegen bei 6 GHz und Ultra-Wideband (UWB) im Auto für eine sehr genaue Ortung liegt im 7-GHz-Bereich. Dies alles wird durch die Tatsache getrieben, dass Sie diese großen Bandbreiten benötigen und unter 3 GHz nichts verfügbar ist.
Die Hersteller, die sich mit 4G gut geschlagen haben, versuchen, die Leistung ihrer Bulk-Acoustic-Wave-(BAW)-Struktur, des FBAR, durch Materialdotierung und Hinzufügen zusätzlicher Elemente zu erweitern, um die neuen Anforderungen an Filter zu erfüllen. Da wir ein Lizenzunternehmen sind und keine Altlasten aufgrund von Konstruktion, Fertigung oder Gießerei haben, hat Resonant nach der besten Struktur oder dem besten Baustein für diese neuen Anforderungen gesucht.
Wir haben ein sehr leistungsfähiges und genaues Softwaretool und haben Hunderte und Tausende verschiedener Arten von Strukturen für diese Filter gescreent und haben XBAR [eine Art von BAW-Akustikresonator] entwickelt, der unserer Meinung nach den richtigen Kopplungskoeffizienten hat, um die Anforderungen zu erfüllen von 600-MHz-, 900-MHz-, 1200-MHz-Bandbreite bei Frequenzen von 3-13 GHz und sogar darüber hinaus. Aber unser Hauptaugenmerk liegt jetzt im Bereich 3-8 GHz, wo sich derzeit der größte Teil des Marktes befindet.
XBAR-Resonator, Querschnitt der Grundstruktur und Volumenwelle, angeregt durch Metall-Interdigital-Transducer (IDT)-Finger (Quelle: Resonant) Klicken Sie für ein größeres Bild.
Elektronikprodukte: Wie schwierig ist es neben den neuen Leistungsanforderungen, die Größe der Filter immer weiter zu verkleinern, um so viele davon in einem Smartphone unterzubringen, um die verschiedenen Frequenzbänder zu handhaben?
Mike Eddy: Es ist absolut kritisch. Wenn man sich ansieht, wie dick ein Smartphone heutzutage ist, muss man wirklich auf die Höhe der Filter aufpassen. Ein typischer Bandpassfilter in einem Telefon ist ungefähr ein Millimeter im Quadrat und ungefähr 35 mm dick. Diese Dinger sind also nur Staubpartikel, aber es gibt so viele von ihnen, dass sie viel Fläche einnehmen.
Elektronikprodukte: Was passiert, wenn Sie nicht den richtigen HF-Filter für Ihre Anwendung auswählen? Wie wirkt sich das auf die Leistung aus?
Mike Eddy: Wenn man sich einen Teardown eines 5G anschaut Modulen und die 5G-Filter, die derzeit in der Anfangsphase von 5G verwendet werden, sind sehr schlecht. Sie unterdrücken potenzielle Störungen nicht sehr gut und können deshalb jetzt noch arbeiten, weil es einfach nicht viel Verkehr gibt. Wenn Sie Datenverkehr auf diesen neuen 5G-Frequenzbändern erhalten, müssen Sie diese potenziellen Störer abwehren. Der Schlüssel zur Leistung ist das sogenannte Signal-Interferenz- und Rauschverhältnis (SINR). Sie möchten also, dass das Signal weit über dem Grundrauschen liegt.
Und je höher das Signal über dem Grundrauschen liegt, desto schneller ist die Datenrate und desto besser ist die Benutzererfahrung. Wenn Sie die potenziellen Störer in benachbarten Frequenzbändern nicht unterdrücken können, erhöht diese Störung das Grundrauschen. Daher verschlechtert sich Ihr Signal-zu-Rausch-Verhältnis, was bedeutet, dass Ihre Datenrate erheblich beeinträchtigt wird, was letztendlich bedeutet, dass Sie nicht die gewünschte Videoqualität erhalten und die Akkulaufzeit dramatisch sinkt, weil Ihr Akku versucht, härter zu arbeiten um das Signal zu bekommen.
Der andere Teil von 5G dreht sich alles um Datenrate und Verzögerung. Wenn Sie viel Zeit damit verbringen, erneut zu senden, weil die Qualität Ihres Signals nicht gut ist, erhöht sich auch die Verzögerung. Deshalb sind Filter so wichtig, denn wenn Sie wirklich die Erfahrung machen möchten, die 5G verspricht, möchten Sie diese Bandbreite wirklich schützen. Verizon zahlte über 40 Milliarden US-Dollar für den C-Block in den USA und das Letzte, was sie tun wollen, ist, all das Geld zu zahlen und festzustellen, dass die Benutzererfahrung bei weitem nicht das ist, was für 5G erwartet wird.
Elektronikprodukte: Wie verschlechtert SINR die Batterielebensdauer?
Mike Eddy: Ein physikalisches Theorem namens Shannon's Law [Shannon-Hartley Capacity Theorem] sagt Ihnen, welche Art von Kapazität und Datenrate Sie aus einem HF-Kanal herausholen können. Es ist eine sehr einfache Formel: Es ist die Bandbreite, die Anzahl der HF-Pfade im Telefon und die Anzahl der Antennen sowie das Signal-zu-Interferenz- und Rauschverhältnis.
Diese verschiedenen Generationen der drahtlosen Technologie wirken sich auf diese drei Dinge aus, daher bedeutet Bandbreite neue Frequenzbänder, die breiter sind und mehrere Frequenzbänder zusammenfassen; Es geht um die Anzahl der HF-Pfade, also die Anzahl der Antennen, und das Signal-zu-Interferenz- und Rauschverhältnis, was Schutz durch Filter bedeutet und die Signalquelle näher an den Benutzer bringt. Aus diesem Grund hört man bei 5G viel über die Verdichtung des Netzwerks und Small Cells, denn je näher man diese Signalquelle bringt, desto höher ist die Signalstärke und desto größer ist das SINR – das Signal-zu-Interferenz- und Rauschverhältnis.
Elektronikprodukte: Was ist die XBAR-Technologie und wie löst sie einige dieser 5G-Herausforderungen?
Mike Eddy: Unser Softwaretool ist ein Finite-Elemente-Modellierungstool (FEM) namens Infinite Syntheized Networks, um komplexe akustische Wellenfilter zu entwickeln. Wenn wir die Materialeigenschaften und physikalischen Abmessungen kennen, können wir die Filterleistung genau vorhersagen. Wir haben es für Surface Acoustic Wave (SAW), eine 3G-Technologie, und TC-Saw [temperaturkompensierte SAW], eine Erweiterung dieser 3G-Technologie für 4G, entwickelt.
Vor etwa drei Jahren wollten wir es für die Bulk Acoustic Wave (BAW)-Technologie erweitern, haben aber auch festgestellt, dass 5G auf dem Markt ist. Als wir uns 5G ansahen, konnten wir nicht erkennen, wie die 4G BAW-Technologie für diese neuen Anforderungen funktionieren würde. Anstatt also Zeit damit zu verbringen, haben wir uns entschieden, uns die beste Schallwellentechnologie für die neuen Anforderungen von 5G anzusehen. Und dann haben wir XBAR erfunden. Mit der Schnittmenge unserer sehr genauen Software-Design-Technologie, technischen Substraten und unserem talentierten Design-Team haben wir XBAR entwickelt, eine BAW-Technologie, die sich von allen bisher existierenden unterscheidet. Es entspricht den Anforderungen an hohe Bandbreite, hohe Frequenz und hohe Leistung [von 5G].
Der andere Teil über die Hochfrequenz bedeutet, dass sich die Signale nicht bis zu den niederfrequenten Signalen ausbreiten, also können Sie dies umgehen, indem Sie die Leistung erhöhen. Das bedeutet, dass alle Komponenten in der HF-Kette in der Lage sein müssen, eine höhere Leistung zu bewältigen, und wir haben festgestellt, dass XBAR all diese neuen Anforderungen erfüllen kann.
Wir haben die [XBAR-basierten] 5G-HF-Filter allen wichtigen Akteuren der Branche gezeigt. Sie waren sehr aufgeregt, weil jeder verstanden hatte, dass sich die Anforderungen für 5G änderten. Auf dem Mobile World Congress 2019 haben wir einen Demonstrationsfilter mit XBAR gezeigt, der alle Voraussetzungen für 5G erfüllt. Es heißt der n79-Filter mit einer 600-MHz-Bandbreite von 4.4 bis 5 GHz, der die benachbarten n77- und WLAN-Signale unterdrückt.
Das Unternehmen, das am schnellsten zu uns wechselte, war ein japanisches Unternehmen – der größte Filterhersteller der Welt. Sie unterzeichneten sehr schnell eine Vereinbarung zur Investition in Resonant und unterzeichneten auch eine Entwicklungsvereinbarung für HF-Filter mit XBAR. Wir haben dieses Entwicklungsprogramm durchgearbeitet und den zweiten großen Meilenstein Ende letzten Jahres erreicht. Dies bedeutet, dass wir alle technologischen Anforderungen an Leistung, Gehäuse und Zuverlässigkeit erfüllt haben und diese [XBAR-basierten HF-Filter] zur Kommerzialisierung bringen. Wir erwarten, dass unsere Designs in 5G, Wi-Fi und UWB zu Beginn des Jahres 2022 Teil des Smartphone-Marktes werden. [Murata hat 2019 einen mehrjährigen kommerziellen Vertrag für XBAR unterzeichnet]
Hauptmerkmale des XBAR-Resonators, der 5G-Anforderungen erfüllt (Quelle: Resonant) Klicken Sie für eine größere Abbildung.
Elektronikprodukte: Möchten Sie Ingenieuren und Designern, die an 5G-Designs beteiligt sind, noch etwas hinzufügen?
Mike Eddy: In jedem Unternehmen gibt es immer kluge Köpfe, und es gibt so viel altes Engineering, geistiges Eigentum, Gießereien und Fertigung, die mit all diesen früheren Technologien verbunden sind. Sie werden einen Weg finden, es für 5G – die große Bandbreite und hohe Frequenz – zum Laufen zu bringen, aber es ist immer ein Kompromiss.
XBAR kann mit einem einzigen Filter die gesamte Bandbreite abdecken. Wir sehen bereits, was die anderen Unternehmen tun. Sie tun mehrere Filter, um die Bandbreiten abzudecken. Das wird funktionieren, aber in einer XBAR-Welt wird es immer nicht konkurrenzfähig sein, weil es größer, teurer und weniger leistungsstark sein wird, weil Sie mehr Verluste haben als ein einzelnes Gerät, das die gesamten Frequenzband.
Jeder weiß, dass Sie in den Jahren 2022 und 2023, wenn 5G-Netze vorhanden sind, Hochleistungsfilter benötigen werden, um dieses 5G-Erlebnis zu erhalten. 5G ist in seiner jetzigen Form die erste Welle, die eher eine Marketingerfahrung als eine Benutzererfahrung ist. Welcher Carrier kann das erste landesweite Netz beanspruchen und welcher Carrier die beste Leistung beanspruchen. Die Leistung von 5G ist derzeit ungefähr dieselbe wie bei 4G.
Sobald Sie das Netzwerk mit neuen Frequenzbändern und neuen Frequenzen ausgestattet haben und mit der Verdichtung des Netzwerks beginnen, werden Sie mit einer Verzögerung von weniger als 700 Millisekunden Geschwindigkeiten von 1 Megabyte/10 Gigabit pro Sekunde sehen. Dies ist im Vergleich zu den 20-30 Megabit pro Sekunde, die Sie gerade sehen, weil wir das echte Netzwerk noch nicht bereitgestellt haben.
Elektronikprodukte: Glauben Sie, dass HF-Filter ein Leistungshindernis für 5G sind?
Mike Eddy: Ein typischer Filmdownload dauert beispielsweise derzeit etwa 25 Minuten in einem typischen 4G- oder einem frühen 5G-Netzwerk. Wenn Sie über eine vollständige 5G-Implementierung mit Hochleistungsfilterung verfügen, liegt dies in der Größenordnung von 13 oder 14 Sekunden.
5G unterscheidet sich stark von den vorherigen Mobilfunkgenerationen. Es verlängert die Datengeschwindigkeit, das Durchtrennen von Kabeln und die Verwendung von [Fällen] von Wireless für Ihren Alltag. Die Kombination aus Datengeschwindigkeit und reduzierter Verzögerung ermöglicht neue Anwendungen. Deshalb hört man viel über private Netzwerke, Industrie 4.0, autonome Autos und Remote-Operationen. Aufgrund der völlig unterschiedlichen Anwendungen, die für hohe Datenraten und geringe Verzögerungen ins Auge gefasst werden können, beginnen sich neue Anwendungen zu erschließen.