Avant que les opérateurs mobiles et les OEM puissent exploiter le potentiel des avantages de la 5G en termes de vitesse de données, de latence ultra-faible et de capacité accrue, ils doivent surmonter plusieurs défis. Celles-ci vont des problèmes de coût pour l'infrastructure et l'équipement à l'innovation de technologies habilitantes, y compris les filtres et solutions RF, les capteurs, les dispositifs de synchronisation et les semi-conducteurs.
L'une de ces sociétés innovantes est Resonant Inc., un fournisseur de solutions de filtres RF basées sur sa plate-forme logicielle de propriété intellectuelle (PI). L'entreprise a développé son filtre XBAR RF sans souci, qui répond aux exigences de bande passante pour la 5G et Wi-Fi 6 et 6e, en utilisant sa plateforme logicielle de modélisation par éléments finis (FEM), appelée Infinite Synthesized Networks (ISN). La société a récemment mis à niveau vers la nouvelle plate-forme de conception WaveX, introduite en juin, qui offre une capacité de simulation FEM 3D pour concevoir des filtres RF, en tirant parti d'une implémentation hybride multi-cloud et alimentée par un GPU à grande mémoire.
WaveX englobe une suite d'algorithmes propriétaires, d'outils de conception de logiciels et de techniques de synthèse de réseau. Il permet à l'équipe de conception de Resonant d'identifier les causes des éperons, d'optimiser l'isolation, de minimiser la perte d'insertion, de gérer la bande passante et la fréquence centrale, qui sont des exigences critiques pour les filtres 5G, Wi-Fi et ultra-large bande (UWB) hautes performances.
Resonant fournit à ses clients des simulations de conception, basées sur les technologies d'ondes acoustiques de surface (SAW) et SAW compensées en température (TC-SAW), qu'ils fabriquent dans leurs usines ou chez l'un des partenaires de fonderie de Resonant.
Electronique Produits s'est entretenu avec Mike Eddy de Resonant, vice-président du développement de l'entreprise, sur les filtres RF en tant que technologie habilitante pour la 5G. Voici un extrait de la discussion.
Produits électroniques : où sont utilisés les filtres ?
Mike Eddy : Les filtres sont utilisés dans de nombreux appareils différents mais en particulier dans les smartphones où vous devez gérer plusieurs bandes de fréquences. Un smartphone typique, tel qu'un iPhone 12 ou 11, aura entre 60 et 80 filtres.
Vous ne pouvez pas régler les filtres, par conséquent, chaque bande de fréquence différente dans un téléphone a besoin d'un filtre. Et parce que tout est question de bande passante, vous devez également agréger plusieurs bandes, c'est pourquoi un smartphone possède de nombreuses antennes. Chaque antenne a besoin d'un tout nouvel ensemble de composants RF, ce qui signifie un tout nouvel ensemble de filtres. Ainsi, par exemple, un iPhone 12, je pense, avait quelque chose comme cinq antennes - l'une était pour le Wi-Fi Bluetooth et le GPS et les quatre autres étaient toutes pour le cellulaire.
L'aspect intéressant de la 5G est qu'il s'agit d'un nouvel ensemble de bandes de fréquences qui sont à une fréquence beaucoup plus élevée. 3G était principalement des fréquences d'environ 1 GHz; La 4G était d'environ 2 GHz, et si vous regardez la 5G où vous voulez avoir des débits de données très, très rapides et des délais très, très courts, vous avez besoin de larges bandes passantes, et les fréquences inférieures à 3 GHz sont maintenant pleines. Ainsi, pour la 5G, afin d'obtenir de nouvelles bandes de fréquences à large bande passante, ce qui signifie des débits de données élevés et un faible délai, vous deviez regarder au-dessus de 3 GHz. C'est pourquoi avec la 5G, vous entendez parler de ces bandes en ondes millimétriques 77 et 79 (mmWave). Ils sont tous les deux au-dessus de 3 GHz, donc par exemple n77 se situe dans la plage de 3.3 à 4 GHz, c'est donc une bande passante beaucoup plus large mais encore une fois une fréquence beaucoup plus élevée.
Bandes 5G inférieures à 6 GHz et Wi-Fi dans les fréquences 3 GHz à 7 GHz (Source : Resonant) Cliquez pour une image plus grande.
Produits électroniques : Comment la 5G modifie-t-elle les exigences en matière de filtres ?
Mike Eddy : De la 3G à la 4G, vous êtes passé d'environ 1 GHz à 2 GHz, et les bandes passantes sont passées de 30 à 40 MHz à 60 à 70 MHz. Lorsque vous étiez à 1 GHz, 3G, l'onde acoustique des filtres résonants ou constitutifs des filtres s'appelait SAW ou onde acoustique de surface. C'est un appareil très simple avec une structure en dôme métallique au-dessus d'un substrat piézoélectrique, et le métal se déplace physiquement afin de générer une résonance à partir de laquelle vous construisez un filtre. C'était le résonateur piézoélectrique parfait pour ce type de fréquence et de bande passante.
Lorsque vous passez de la 3G à la 4G, les exigences sont très différentes, c'est 2 GHz [fréquence] et c'est maintenant une bande passante de 60 à 70 MHz. SAW pouvait être poussé afin de répondre à ces nouvelles exigences mais ce n'était pas optimal.
Et donc Broadcom, Avago à l'époque, a proposé quelle était la structure optimale pour ces nouvelles exigences, qu'ils ont appelée FBAR [film bulk acoustic resonator]. Il s'agit essentiellement d'un tambour métallique autour d'un [substrat] piézoélectrique, qui est du nitrure d'aluminium, et ce dôme métallique vibre ensuite à une fréquence d'environ 2 GHz avec le bon type de bande passante. [Avago a acquis Broadcom en 2015.]
Passant maintenant de la 4G à la 5G, encore une fois, les exigences sont très différentes. Vous parlez de 3.5 à 4.5 GHz et ce n'est pas que de la 5G. Les nouvelles bandes Wi-Fi sont à 6 GHz et la bande ultra-large (UWB) utilisée dans la voiture pour une localisation très précise se situe dans la plage de 7 GHz. Tout est motivé par le fait que vous avez besoin de ces larges bandes passantes et qu'il n'y a rien de disponible en dessous de 3 GHz.
Les fabricants qui se sont bien comportés en 4G, ils tentent d'étendre les performances de leur structure à ondes acoustiques en vrac (BAW), le FBAR, en dopant les matériaux et en ajoutant des éléments supplémentaires afin de répondre aux nouvelles exigences des filtres. Étant donné que nous sommes une société de licence et que nous n'avons aucun bagage hérité basé sur l'ingénierie, la fabrication ou la fonderie, ce que Resonant a fait était de rechercher quelle serait la meilleure structure, ou bloc de construction, pour ces nouvelles exigences.
Nous avons un outil logiciel très puissant et précis et avons examiné des centaines et des milliers de différents types de structures pour ces filtres et avons proposé XBAR [un type de résonateur acoustique BAW], qui, selon nous, a le bon coefficient de couplage afin de répondre aux exigences. de 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz de bande passante à des fréquences de 3 à 13 GHz, et même au-delà. Mais notre objectif principal est désormais la gamme 3-8 GHz, où se trouve actuellement la majeure partie du marché.
Résonateur XBAR, montrant une section transversale de la structure de base et de l'onde de volume excitée par les doigts du transducteur interdigital métallique (IDT) (Source : Resonant) Cliquez pour une image plus grande.
Produits électroniques : en plus des nouvelles exigences de performances, est-il difficile de continuer à réduire la taille des filtres afin d'en intégrer autant dans un smartphone pour gérer les différentes bandes de fréquences ?
Mike Eddy : C'est absolument critique. Quand on regarde l'épaisseur d'un smartphone de nos jours, il faut vraiment faire attention à la hauteur des filtres. Un filtre passe-bande typique dans un téléphone mesure environ un millimètre carré sur environ 35 mm d'épaisseur. Donc, ces choses ne sont que des particules de poussière, mais il y en a tellement qu'elles occupent beaucoup de place.
Produits électroniques : Que se passe-t-il si vous ne sélectionnez pas le bon filtre RF pour votre application ? Comment cela impacte-t-il les performances ?
Mike Eddy : Si vous regardez le démontage d'une 5G module et les filtres 5G qui sont utilisés actuellement dans les premiers stades de la 5G, les filtres sont très médiocres. Ils ne rejettent pas très bien les interférences potentielles et la raison pour laquelle ils peuvent fonctionner actuellement est qu'il n'y a tout simplement pas beaucoup de trafic. Au fur et à mesure que vous obtenez du trafic sur ces nouvelles bandes de fréquences 5G, vous devez rejeter ces brouilleurs potentiels. La clé de la performance est ce qu'on appelle le rapport signal/interférence et bruit [SINR], vous voulez donc que le signal soit bien au-dessus du bruit de fond.
Et plus vous avez ce signal au-dessus du bruit de fond, plus le débit de données est rapide et meilleure est l'expérience utilisateur. Si vous ne pouvez pas rejeter les interférences potentielles dans les bandes de fréquences voisines, ces interférences augmentent le bruit de fond. Par conséquent, votre rapport signal/bruit s'aggrave, ce qui signifie que votre débit de données se dégrade considérablement, ce qui signifie finalement que vous ne pouvez pas obtenir la qualité vidéo que vous souhaitez et que vous obtenez une dégradation spectaculaire de la durée de vie de la batterie car votre batterie essaie de travailler plus fort pour pour recevoir le signal.
L'autre partie de la 5G concerne le débit de données et le délai. Si vous passez beaucoup de temps à retransmettre parce que la qualité de votre signal n'est pas bonne, alors votre délai augmente également. C'est pourquoi les filtres sont si importants, car si vous voulez vraiment profiter de l'expérience que la 5G promet, vous voulez vraiment protéger cette bande passante. Verizon a payé plus de 40 milliards de dollars pour le bloc C aux États-Unis et la dernière chose qu'ils veulent faire est de payer tout cet argent et de trouver que l'expérience utilisateur est loin de ce qui est prévu pour la 5G.
Produits électroniques : Comment le SINR dégrade-t-il la durée de vie de la batterie ?
Mike Eddy : Un théorème de physique appelé loi de Shannon [Théorème de capacité de Shannon-Hartley] vous indique quel type de capacité et de débit de données vous pouvez obtenir d'un canal RF. C'est une formule très simple : c'est la bande passante, le nombre de chemins RF dans le téléphone et le nombre d'antennes, et le rapport signal/interférence et bruit.
Ces différentes générations de technologie sans fil affectent ces trois choses, donc la bande passante signifie de nouvelles bandes de fréquences plus larges et agrégeant plusieurs bandes de fréquences ; il s'agit du nombre de chemins RF qui est le nombre d'antennes, et du rapport signal/interférence et bruit, ce qui signifie une protection avec des filtres et un rapprochement de la source du signal de l'utilisateur. C'est pourquoi avec la 5G, vous entendez beaucoup parler de densification du réseau et de petites cellules, car plus vous rapprochez cette source de signal, plus la force du signal est élevée, donc plus le SINR - le rapport signal sur interférence et bruit est élevé.
Produits électroniques : qu'est-ce que la technologie XBAR et comment résout-elle certains de ces défis 5G ?
Mike Eddy : Notre outil logiciel est un outil de modélisation par éléments finis (FEM) appelé Infinite Synthesized Networks pour développer des filtres d'ondes acoustiques complexes. Si nous connaissons les propriétés des matériaux et les dimensions physiques, nous pouvons prédire avec précision les performances du filtre. Nous l'avons développé pour les ondes acoustiques de surface (SAW), qui est une technologie 3G, et TC-Saw [SAW à compensation de température], qui est une extension de cette technologie 3G pour la 4G.
Il y a environ trois ans, nous cherchions à l'étendre à la technologie des ondes acoustiques de masse (BAW), mais nous avons également réalisé que la 5G arrivait. En examinant la 5G, nous ne pouvions pas voir comment la technologie 4G BAW fonctionnerait pour ces nouvelles exigences. Donc, plutôt que de passer du temps là-dessus, nous avons décidé de rechercher quelle serait la meilleure technologie d'ondes acoustiques pour les nouvelles exigences de la 5G. Et c'est à ce moment-là que nous avons inventé le XBAR. Avec l'intersection de notre technologie de conception logicielle très précise, de nos substrats techniques et de notre équipe de conception talentueuse, nous avons développé XBAR, qui est une technologie BAW très différente de tout ce qui existait auparavant. Il correspond aux exigences de large bande passante, de haute fréquence et de haute puissance [de la 5G].
L'autre partie concernant la haute fréquence signifie que les signaux ne se propagent pas aussi loin que les signaux à basse fréquence, donc le moyen de contourner cela est d'augmenter la puissance. Cela signifie que tous les composants de la chaîne RF doivent être capables de gérer une puissance plus élevée et nous avons constaté que XBAR pouvait répondre à toutes ces nouvelles exigences.
Nous avons montré les filtres RF 5G [basés sur XBAR] à tous les principaux acteurs de l'industrie. Ils étaient très enthousiastes à ce sujet parce que tout le monde comprenait que les exigences changeaient pour la 5G. Au Mobile World Congress 2019, nous avons présenté un filtre de démonstration utilisant XBAR qui répondait à toutes les exigences de la 5G. Il s'agit du filtre n79 avec une bande passante de 600 MHz de 4.4 à 5 GHz, qui rejetait les signaux n77 et Wi-Fi voisins.
La société qui s'est déplacée le plus rapidement pour travailler avec nous était une société japonaise – le plus grand fabricant de filtres au monde. Ils ont très vite signé un accord pour investir dans Resonant et ont également signé un accord de développement de filtres RF utilisant XBAR. Nous avons travaillé sur ce programme de développement et nous avons atteint le deuxième jalon majeur à la fin de l'année dernière. Cela signifie que nous avons satisfait à toutes les exigences technologiques en matière de performances, d'emballage et de fiabilité et qu'ils migrent ces [filtres RF basés sur XBAR] vers la commercialisation. Nous nous attendons à voir nos conceptions en 5G, Wi-Fi et UWB dans le cadre du marché des smartphones à l'aube de 2022. [Murata a signé un accord commercial pluriannuel pour XBAR en 2019.]
Principales caractéristiques du résonateur XBAR répondant aux exigences de la 5G (Source : Resonant) Cliquez pour une image plus grande.
Produits électroniques : Souhaitez-vous ajouter quelque chose d'autre pour les ingénieurs et les concepteurs impliqués dans les conceptions 5G ?
Mike Eddy : Il y a toujours des gens intelligents dans n'importe quelle entreprise et il y a tellement d'ingénierie, de propriété intellectuelle, de fonderies et de fabrication hérités qui sont associés à toutes ces technologies antérieures. Ils trouveront un moyen de le faire fonctionner pour la 5G – la large bande passante et la haute fréquence – mais c'est toujours un compromis.
XBAR peut couvrir toute la bande passante avec un seul filtre. Nous voyons déjà ce que font les autres entreprises. Ils font plusieurs filtres pour couvrir les bandes passantes. Cela fonctionnera, mais dans un monde XBAR, ce sera toujours non compétitif car ce sera plus gros, cela coûtera plus cher et ses performances seront inférieures car vous avez plus de pertes par rapport à un seul appareil qui couvre le toute la bande de fréquence.
Tout le monde sait qu'en 2022 et 2023, lorsque les réseaux 5G seront en place, vous aurez besoin de filtres hautes performances pour profiter de cette expérience 5G. La 5G telle qu'elle se présente actuellement est la première vague, qui est plus une expérience marketing qu'une expérience utilisateur. C'est quel opérateur peut revendiquer le premier réseau national et quel opérateur peut revendiquer les meilleures performances. Les performances de la 5G sont actuellement à peu près les mêmes que celles de la 4G.
Une fois que vous avez déployé le réseau avec de nouvelles bandes de spectre et de nouvelles fréquences et que vous commencez à densifier le réseau, vous verrez des débits de 700 mégaoctets/1 gigabit par seconde avec un délai inférieur à 10 millisecondes. C'est en comparaison avec les 20-30 mégabits par seconde que vous voyez en ce moment parce que nous n'avons pas encore déployé le vrai réseau.
Produits électroniques : pensez-vous que les filtres RF sont un obstacle aux performances de la 5G ?
Mike Eddy : Par exemple, un téléchargement de film typique prend actuellement environ 25 minutes sur un réseau 4G typique ou un réseau 5G à un stade précoce. Si vous avez une implémentation 5G complète avec un filtrage haute performance, c'est de l'ordre de 13 ou 14 secondes.
La 5G est très différente des générations cellulaires précédentes. Il étend cette vitesse de données, coupe le cordon et utilise [des cas] de sans fil pour votre vie quotidienne. La combinaison de la vitesse des données et du délai réduit permet de nouvelles applications. C'est pourquoi vous entendez beaucoup parler de réseaux privés, d'Industrie 4.0, de voitures autonomes et de chirurgies à distance. Il commence à ouvrir de nouvelles applications du fait des usages totalement différents qui peuvent être envisagés pour des débits élevés et des délais faibles.