Antes de que los operadores móviles y los OEM puedan aprovechar el potencial de las ventajas de 5G en velocidad de datos, latencia ultrabaja y mayor capacidad, deben superar varios desafíos. Estos van desde problemas de costos para infraestructura y equipos hasta la innovación de tecnologías habilitadoras, incluidos filtros y soluciones de RF, sensores, dispositivos de temporización y semiconductores.
Una de esas empresas de innovación es Resonant Inc., un proveedor de soluciones de filtros de RF basadas en su plataforma de software de propiedad intelectual (IP). La empresa desarrolló su filtro XBAR RF la tecnología, que cumple con los requisitos de ancho de banda para 5G y Wi-Fi 6 y 6e, utilizando su plataforma de software heredada de modelado de elementos finitos (FEM), llamada Infinite Synthesized Networks (ISN). La compañía actualizó recientemente a la nueva plataforma de diseño WaveX, presentada en junio, que ofrece capacidad de simulación FEM 3D para diseñar filtros de RF, aprovechando una implementación híbrida de múltiples nubes y gran memoria impulsada por GPU.
WaveX incluye un conjunto de algoritmos patentados, herramientas de diseño de software y técnicas de síntesis de red. Permite al equipo de diseño de Resonant identificar las causas de los espolones, optimizar el aislamiento, minimizar la pérdida de inserción, administrar el ancho de banda y la frecuencia central, que son requisitos críticos para los filtros 5G, Wi-Fi y de banda ultraancha (UWB) de alto rendimiento.
Resonant proporciona simulaciones de diseño, basadas en tecnologías de onda acústica de superficie (SAW) y SAW con compensación de temperatura (TC-SAW), a sus clientes que fabrican en sus fábricas o en uno de los socios de fundición de Resonant.
Electronic Productos habló con Mike Eddy de Resonant, vicepresidente de desarrollo corporativo, sobre los filtros de RF como tecnología habilitadora para 5G. Aquí hay un extracto de la discusión.
Productos electrónicos: ¿Dónde se utilizan los filtros?
mike eddy: Los filtros se utilizan en muchos dispositivos diferentes, pero en particular en teléfonos inteligentes donde necesita administrar múltiples bandas de frecuencia. Un teléfono inteligente típico, como un iPhone 12 u 11, tendrá entre 60 y 80 filtros.
No puede sintonizar filtros, por lo tanto, cada banda de frecuencia diferente en un teléfono necesita un filtro. Y debido a que todo se trata de ancho de banda, también necesita agregar múltiples bandas, por eso un teléfono inteligente tiene muchas antenas. Cada antena necesita un conjunto completamente nuevo de componentes de RF, lo que significa un conjunto completamente nuevo de filtros. Entonces, por ejemplo, un iPhone 12, creo que tenía algo así como cinco antenas: una era para Wi-Fi, Bluetooth y GPS y las otras cuatro eran todas para celulares.
El aspecto interesante de 5G es que es un nuevo conjunto de bandas de frecuencia que se encuentran en una frecuencia mucho más alta. 3G era principalmente de frecuencias de 1 GHz; 4G tenía aproximadamente frecuencias de 2 GHz, y cuando mira 5G, donde desea tener velocidades de datos muy, muy rápidas y retrasos muy, muy cortos, necesita anchos de banda amplios y las frecuencias por debajo de 3 GHz ahora están completas. Entonces, para 5G, para obtener nuevas bandas de frecuencia que tengan un ancho de banda amplio, lo que significa altas velocidades de datos y bajo retraso, debe mirar por encima de 3 GHz. Es por eso que con 5G escuchas sobre estas bandas en ondas de 77 y 79 milímetros (mmWave). Ambos están por encima de 3 GHz, por lo que, por ejemplo, n77 está en el rango de 3.3 a 4 GHz, por lo que es un ancho de banda mucho más amplio pero nuevamente una frecuencia mucho más alta.
Bandas 5G sub-6-GHz y Wi-Fi en las frecuencias de 3 GHz a 7 GHz (Fuente: Resonante) Haga clic para ver una imagen más grande.
Productos electrónicos: ¿Cómo cambia el 5G los requisitos de los filtros?
mike eddy: De 3G a 4G pasó de aproximadamente 1 GHz a 2 GHz de frecuencia, y los anchos de banda pasaron de 30 a 40 MHz a 60 a 70 MHz. Cuando estaba en 1 GHz, 3G, la onda acústica de resonancia o bloques de construcción de filtros se llamaba SAW o onda acústica de superficie. Es un dispositivo muy simple con una estructura de cúpula de metal sobre un sustrato piezoeléctrico, y el metal se mueve físicamente para generar una resonancia a partir de la cual se construye un filtro. Ese fue el resonador piezoeléctrico perfecto para ese tipo de frecuencia y ancho de banda.
Cuando pasa de 3G a 4G, los requisitos son muy diferentes, es de 2 GHz [frecuencia] y ahora tiene un ancho de banda de 60 a 70 MHz. Se pudo impulsar SAW para cumplir con estos nuevos requisitos, pero no era óptimo.
Así que Broadcom, Avago en ese momento, ideó cuál era la estructura óptima para estos nuevos requisitos, a la que llamaron FBAR [resonador acústico a granel de película]. Es básicamente un tambor de metal alrededor de un [sustrato] piezoeléctrico, que es nitruro de aluminio, y esa cúpula de metal luego vibra a una frecuencia de aproximadamente 2 GHz con el tipo correcto de ancho de banda. [Avago adquirió Broadcom en 2015.]
Ahora, pasando de 4G a 5G, nuevamente, los requisitos son muy diferentes. Estás hablando de 3.5-4.5 GHz y no es solo 5G. Las nuevas bandas de Wi-Fi están en 6 GHz y la banda ultra ancha (UWB) utilizada en el automóvil para una ubicación muy precisa está en el rango de 7 GHz. Todo está impulsado por el hecho de que necesita estos anchos de banda amplios y no hay nada disponible por debajo de 3 GHz.
Los fabricantes que se desempeñaron bien en 4G, están tratando de extender el rendimiento de su estructura de ondas acústicas a granel (BAW), el FBAR, dopando materiales y agregando elementos adicionales para cumplir con los nuevos requisitos para los filtros. Dado que somos una empresa de licencias y no tenemos un legado de bagaje basado en ingeniería, fabricación o fundición, lo que hizo Resonant fue buscar cuál sería la mejor estructura, o bloque de construcción, para estos nuevos requisitos.
Contamos con una herramienta de software muy potente y precisa, analizamos cientos y miles de tipos diferentes de estructuras para estos filtros y creamos XBAR [un tipo de resonador acústico BAW], que creemos que tiene el coeficiente de acoplamiento correcto para cumplir con los requisitos. de 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz de ancho de banda en frecuencias de 3-13 GHz, e incluso más allá. Pero nuestro enfoque principal ahora está en el rango de 3-8 GHz, que es donde se encuentra la mayor parte del mercado en este momento.
Resonador XBAR, que muestra la sección transversal de la estructura básica y la onda masiva excitada por los dedos del transductor interdigital metálico (IDT) (Fuente: Resonante) Haga clic para ampliar la imagen.
Productos electrónicos: además de los nuevos requisitos de rendimiento, ¿qué tan difícil es seguir reduciendo el tamaño de los filtros para que quepan tantos en un teléfono inteligente para manejar las diferentes bandas de frecuencia?
mike eddy: Es absolutamente crítico. Cuando observa el grosor de un teléfono inteligente en estos días, realmente debe tener cuidado con la altura de los filtros. Un filtro de paso de banda típico en un teléfono tiene aproximadamente un milímetro cuadrado por aproximadamente .35 mm de grosor. Entonces, estas cosas son solo partículas de polvo, pero hay tantas que ocupan una gran cantidad de área.
Productos electrónicos: ¿Qué sucede si no selecciona el filtro de RF adecuado para su aplicación? ¿Cómo afecta el rendimiento?
mike eddy: Si miras el desmontaje de un 5G módulo y los filtros 5G que se están utilizando ahora mismo en las primeras etapas de 5G, los filtros son muy pobres. No rechazan muy bien las posibles interferencias y la razón por la que pueden funcionar ahora es porque simplemente no hay mucho tráfico. A medida que obtiene tráfico en estas nuevas bandas de frecuencia 5G, debe rechazar estas posibles interferencias. La clave del rendimiento es lo que se llama relación señal-interferencia y ruido [SINR], por lo que desea que la señal esté muy por encima del nivel de ruido.
Y cuanto más por encima del piso de ruido tenga esa señal, más rápida será la velocidad de datos y mejor será la experiencia del usuario. Si no puede rechazar las posibles interferencias en las bandas de frecuencia vecinas, esa interferencia aumenta el ruido de fondo. Por lo tanto, su relación señal-ruido empeora, lo que significa que su velocidad de datos se degrada significativamente, lo que en última instancia significa que no puede obtener la calidad de video que desea y obtiene una degradación dramática de la vida útil de la batería porque su batería está tratando de trabajar más duro en orden para obtener la señal.
La otra parte de 5G tiene que ver con la velocidad de datos y el retraso. Si pasa mucho tiempo retransmitiendo porque la calidad de su señal no es buena, entonces su retraso también aumenta. Por eso los filtros son tan importantes, porque si realmente desea obtener la experiencia que promete 5G, realmente desea proteger ese ancho de banda. Verizon pagó más de $ 40 mil millones por el bloque C en los EE. UU. Y lo último que quieren hacer es pagar todo ese dinero y encontrar que la experiencia del usuario no se acerca a lo que se anticipa para 5G.
Productos electrónicos: ¿Cómo degrada SINR la duración de la batería?
mike eddy: Un teorema de física llamado Ley de Shannon [Teorema de capacidad de Shannon-Hartley] le dice qué tipo de capacidad y velocidad de datos puede obtener de un canal de RF. Es una fórmula muy simple: es el ancho de banda, el número de rutas de RF en el teléfono y el número de antenas, y la relación señal-interferencia y ruido.
Estas diferentes generaciones de tecnología inalámbrica están afectando esas tres cosas, por lo que el ancho de banda significa nuevas bandas de frecuencia que son más anchas y agregan múltiples bandas de frecuencia; se trata de la cantidad de rutas de RF, que es la cantidad de antenas, y la relación señal / interferencia y ruido, lo que significa protección con filtros y acercar la fuente de la señal al usuario. Es por eso que con 5G se escucha mucho sobre la densificación de la red y las celdas pequeñas porque cuanto más cerca se acerca esa fuente de señal, mayor es la intensidad de la señal, por lo que mayor es la SINR: la relación señal-interferencia y ruido.
Productos electrónicos: ¿Qué es la tecnología XBAR y cómo resuelve algunos de estos desafíos 5G?
mike eddy: Nuestra herramienta de software es una herramienta de modelado de elementos finitos (FEM) llamada Infinite Synthesized Networks para desarrollar filtros de ondas acústicas complejas. Si conocemos las propiedades de los materiales y las dimensiones físicas, podemos predecir con precisión el rendimiento del filtro. Lo desarrollamos para ondas acústicas de superficie (SAW), que es una tecnología 3G, y TC-Saw [SAW con compensación de temperatura], que es una extensión de esa tecnología 3G para 4G.
Hace unos tres años, estábamos buscando extenderlo para la tecnología de ondas acústicas masivas (BAW), pero también nos dimos cuenta de que 5G estaba llegando. Mientras miramos 5G, no pudimos ver cómo funcionaría la tecnología 4G BAW para estos nuevos requisitos. Entonces, en lugar de dedicar tiempo a eso, decidimos ver cuál sería la mejor tecnología de ondas acústicas para los nuevos requisitos de 5G. Y fue entonces cuando inventamos XBAR. Con la intersección de nuestra tecnología de diseño de software muy precisa, sustratos de ingeniería y nuestro talentoso equipo de diseño, desarrollamos XBAR, que es una tecnología BAW que es muy diferente de todo lo que existía anteriormente. Se ajusta a los requisitos de manejo de gran ancho de banda, alta frecuencia y alta potencia [de 5G].
La otra parte sobre la alta frecuencia significa que las señales no se propagan tan lejos como las señales de baja frecuencia, por lo que la forma de evitarlo es aumentar la potencia. Eso significa que todos los componentes de la cadena de RF deben poder manejar una mayor potencia y descubrimos que XBAR podría cumplir con todos estos nuevos requisitos.
Mostramos los filtros de RF 5G [basados en XBAR] a todos los principales actores de la industria. Estaban muy emocionados porque todos entendieron que los requisitos estaban cambiando para 5G. En el Mobile World Congress 2019, mostramos un filtro de demostración con XBAR que tenía todos los requisitos adecuados para 5G. Se llama filtro n79 con un ancho de banda de 600 MHz de 4.4 a 5 GHz, que rechazó las señales vecinas n77 y Wi-Fi.
La empresa que se movió más rápido para trabajar con nosotros fue una empresa japonesa, el mayor fabricante de filtros del mundo. Rápidamente firmaron un acuerdo para invertir en Resonant y también firmaron un acuerdo de desarrollo para filtros de RF usando XBAR. Hemos estado trabajando en ese programa de desarrollo y logramos el segundo hito importante a fines del año pasado. Esto significa que hemos cumplido con todos los requisitos tecnológicos para el rendimiento, el empaquetado y la confiabilidad y estamos moviendo eso [filtros de RF basados en XBAR] a la comercialización. Esperamos ver nuestros diseños en 5G, Wi-Fi y UWB como parte del mercado de teléfonos inteligentes a medida que entremos en 2022. [Murata firmó un acuerdo comercial de varios años para XBAR en 2019].
Características clave del resonador XBAR que aborda los requisitos de 5G (Fuente: Resonant) Haga clic para ver una imagen más grande.
Productos electrónicos: ¿Hay algo más que le gustaría agregar para los ingenieros y diseñadores involucrados en diseños 5G?
mike eddy: Siempre hay gente inteligente en cualquier empresa y hay mucha ingeniería heredada, IP, fundiciones y fabricación que están asociadas con todas esas tecnologías anteriores. Encontrarán una manera de hacer que funcione para 5G, el ancho de banda amplio y la alta frecuencia, pero siempre es un compromiso.
XBAR puede cubrir todo el ancho de banda con un solo filtro. Ya estamos viendo lo que están haciendo las otras empresas. Están haciendo varios filtros para cubrir los anchos de banda. Eso funcionará, pero en un mundo XBAR siempre no será competitivo porque será más grande, será más costoso y tendrá un rendimiento más bajo porque tiene más pérdidas en comparación con un solo dispositivo que cubre el banda de frecuencia completa.
Todo el mundo sabe que en 2022 y 2023, cuando las redes 5G estén instaladas, necesitará filtros de alto rendimiento para obtener esa experiencia 5G. 5G, tal como está ahora, es la primera ola, que es más una experiencia de marketing que una experiencia de usuario. Es qué operador puede reclamar la primera red nacional y qué operador puede reclamar el mejor rendimiento. El rendimiento de 5G en este momento es aproximadamente el mismo que el de 4G.
Una vez que haya implementado la red con nuevas bandas de espectro y nuevas frecuencias y comience a densificar la red, es cuando verá tasas de 700 megabytes / 1 gigabit por segundo con un retraso de menos de 10 milisegundos. Esto es en comparación con los 20-30 megabits por segundo que ve ahora porque aún no hemos implementado la red real.
Productos electrónicos: ¿Crees que los filtros de RF son un obstáculo de rendimiento para 5G?
mike eddy: Por ejemplo, la descarga de una película típica tarda unos 25 minutos en este momento en una red 4G típica o en una red 5G de etapa inicial. Si tiene una implementación completa de 5G con filtrado de alto rendimiento, es del orden de 13 o 14 segundos.
5G es muy diferente de las generaciones celulares anteriores. Está extendiendo esa velocidad de datos, el corte de cables y el uso [casos] de la tecnología inalámbrica para su vida diaria. La combinación de velocidad de datos y retraso reducido permite nuevas aplicaciones. Es por eso que escuchas mucho sobre redes privadas, Industria 4.0, autos autónomos y cirugías remotas. Está comenzando a abrir nuevas aplicaciones debido a los usos totalmente diferentes que se pueden prever para altas velocidades de datos y bajo retraso.