Sebelum operator seluler dan OEM dapat memanfaatkan potensi keunggulan 5G dalam kecepatan data, latensi sangat rendah, dan kapasitas yang lebih besar, mereka perlu mengatasi beberapa tantangan. Ini berkisar dari masalah biaya untuk infrastruktur dan peralatan hingga inovasi teknologi yang memungkinkan, termasuk filter dan solusi RF, sensor, perangkat pengatur waktu, dan semikonduktor.
Salah satu perusahaan inovasi tersebut adalah Resonant Inc., penyedia solusi filter RF berdasarkan platform perangkat lunak kekayaan intelektual (IP). Perusahaan mengembangkan filter XBAR RF-nya teknologi, yang memenuhi persyaratan bandwidth untuk 5G dan Wi-Fi Aplikasi 6 dan 6e, menggunakan platform perangkat lunak pemodelan elemen hingga (FEM) lama, yang disebut Infinite Synthesized Networks (ISN). Perusahaan baru-baru ini meningkatkan ke platform desain WaveX baru, yang diperkenalkan pada bulan Juni, yang menawarkan kemampuan simulasi 3D FEM untuk merancang filter RF, memanfaatkan implementasi hybrid multi-cloud, memori besar yang didukung GPU.
WaveX mencakup serangkaian algoritme berpemilik, alat desain perangkat lunak, dan teknik sintesis jaringan. Ini memungkinkan tim desain Resonant untuk mengidentifikasi penyebab taji, mengoptimalkan isolasi, meminimalkan kehilangan penyisipan, mengelola bandwidth, dan frekuensi tengah, yang merupakan persyaratan penting untuk filter 5G, Wi-Fi, dan Ultra-wideband (UWB) berkinerja tinggi.
Resonant menyediakan simulasi desain, berdasarkan teknologi gelombang akustik permukaan (SAW) dan suhu kompensasi SAW (TC-SAW), kepada pelanggannya yang mereka produksi di pabrik mereka atau di salah satu mitra pengecoran Resonant.
Elektronik Produk berbicara dengan Mike Eddy dari Resonant, wakil presiden pengembangan perusahaan, tentang filter RF sebagai teknologi yang memungkinkan untuk 5G. Berikut kutipan dari diskusi tersebut.
Produk Elektronik: Di mana filter digunakan?
Mike Edi: Filter digunakan di banyak perangkat berbeda tetapi khususnya di ponsel cerdas di mana Anda perlu mengelola beberapa pita frekuensi. Ponsel cerdas biasa, seperti iPhone 12 atau 11, akan memiliki sekitar 60 hingga 80 filter.
Anda tidak dapat menyetel filter, oleh karena itu, setiap pita frekuensi yang berbeda di telepon memerlukan filter. Dan karena semuanya tentang bandwidth, Anda juga perlu menggabungkan beberapa band, jadi itulah mengapa smartphone memiliki banyak antena. Setiap antena membutuhkan satu set komponen RF yang sama sekali baru yang berarti satu set filter yang sama sekali baru. Jadi, misalnya, iPhone 12, saya pikir memiliki sesuatu seperti lima antena – satu untuk Wi-Fi Bluetooth dan GPS dan empat lainnya untuk seluler.
Aspek menarik dari 5G adalah bahwa ini adalah rangkaian pita frekuensi baru yang berada pada frekuensi yang jauh lebih tinggi. 3G terutama tentang frekuensi 1-GHz; 4G adalah frekuensi sekitar 2-GHz, dan saat Anda melihat 5G di mana Anda ingin memiliki kecepatan data yang sangat, sangat cepat dan penundaan yang sangat, sangat singkat, Anda memerlukan bandwidth yang lebar, dan frekuensi di bawah 3 GHz sekarang sudah penuh. Jadi untuk 5G untuk mendapatkan pita frekuensi baru yang lebar pitanya, yang berarti kecepatan data tinggi dan penundaan rendah, Anda perlu melihat di atas 3 GHz. Itu sebabnya dengan 5G Anda mendengar tentang pita-pita ini dalam gelombang 77 dan 79 milimeter (mmWave). Keduanya di atas 3 GHz, jadi misalnya n77 berada di kisaran 3.3 hingga 4-GHz, jadi bandwidthnya jauh lebih lebar tetapi sekali lagi frekuensinya jauh lebih tinggi.
5G sub-6-GHz dan pita Wi-Fi dalam frekuensi 3 GHz hingga 7 GHz (Sumber: Resonant) Klik untuk gambar yang lebih besar.
Produk Elektronik: Bagaimana 5G mengubah persyaratan filter?
Mike Edi: Dari 3G ke 4G, Anda beralih dari sekitar 1-GHz ke frekuensi 2-GHz, dan bandwidth berubah dari 30 hingga 40 MHz menjadi 60 hingga 70 MHz. Ketika Anda berada di 1 GHz, 3G, gelombang akustik resonansi atau blok bangunan filter disebut SAW atau gelombang akustik permukaan. Ini adalah perangkat yang sangat sederhana dengan struktur kubah logam di atas substrat piezoelektrik, dan logam secara fisik bergerak untuk menghasilkan resonansi dari mana Anda membuat filter. Itu adalah resonator piezoelektrik yang sempurna untuk frekuensi dan bandwidth semacam itu.
Ketika Anda berpindah dari 3G ke 4G maka persyaratannya sangat berbeda, 2 GHz [frekuensi] dan sekarang bandwidth 60 hingga 70 MHz. SAW dapat didorong untuk memenuhi persyaratan baru ini tetapi tidak optimal.
Jadi Broadcom, Avago pada saat itu, menemukan struktur optimal untuk persyaratan baru ini, yang mereka sebut FBAR [film bulk acoustic resonator]. Ini pada dasarnya adalah drum logam di sekitar [substrat] piezoelektrik, yaitu aluminium nitrida, dan kubah logam itu kemudian bergetar pada frekuensi sekitar 2 GHz dengan jenis bandwidth yang tepat. [Avago mengakuisisi Broadcom pada tahun 2015.]
Sekarang beralih dari 4G ke 5G, sekali lagi, persyaratannya sangat berbeda. Anda berbicara tentang 3.5-4.5 GHz dan ini bukan hanya 5G. Pita Wi-Fi baru berada di 6-GHz dan ultra-wideband (UWB) yang digunakan di dalam mobil untuk lokasi yang sangat akurat berada di kisaran 7-GHz. Ini semua didorong oleh fakta bahwa Anda memerlukan bandwidth yang lebar ini dan tidak ada yang tersedia di bawah 3 GHz.
Pabrikan yang berhasil dengan baik di 4G, mereka mencoba untuk memperluas kinerja struktur gelombang akustik massal (BAW) mereka, FBAR, dengan melakukan doping material dan menambahkan elemen tambahan untuk memenuhi persyaratan baru untuk filter. Karena kami adalah perusahaan lisensi dan tidak memiliki bagasi warisan berdasarkan teknik, manufaktur, atau pengecoran, yang dilakukan Resonant adalah melihat struktur, atau blok bangunan apa yang terbaik, untuk persyaratan baru ini.
Kami memiliki perangkat lunak yang sangat kuat dan akurat dan menyaring ratusan dan ribuan jenis struktur yang berbeda untuk filter ini dan menghasilkan XBAR [sejenis resonator akustik BAW], yang kami yakini memiliki koefisien kopling yang tepat untuk memenuhi persyaratan bandwidth 600-MHz, 900-MHz, 1200-MHz pada frekuensi dari 3-13 GHz, dan bahkan lebih dari itu. Tetapi fokus utama kami sekarang adalah pada kisaran 3-8 GHz, yang merupakan sebagian besar pasar saat ini.
Resonator XBAR, menunjukkan penampang struktur dasar dan gelombang massal yang dieksitasi oleh jari-jari transduser interdigital logam (IDT) (Sumber: Resonan) Klik untuk gambar yang lebih besar.
Produk Elektronik: Selain persyaratan kinerja baru, seberapa sulitkah untuk terus mengecilkan ukuran filter agar pas dengan begitu banyak filter di ponsel cerdas untuk menangani pita frekuensi yang berbeda?
Mike Edi: Ini benar-benar kritis. Jika Anda melihat seberapa tebal smartphone saat ini, Anda benar-benar harus berhati-hati dengan ketinggian filter. Filter bandpass tipikal di telepon berukuran sekitar satu milimeter persegi dengan tebal sekitar 35 mm. Jadi hal-hal ini hanyalah spesifikasi debu tetapi ada begitu banyak sehingga memakan banyak area.
Produk Elektronik: Apa yang terjadi jika Anda tidak memilih filter RF yang tepat untuk aplikasi Anda? Bagaimana pengaruhnya terhadap kinerja?
Mike Edi: Jika Anda melihat pembongkaran 5G modul dan filter 5G yang digunakan saat ini pada tahap awal 5G, filternya sangat buruk. Mereka tidak menolak potensi gangguan dengan baik dan alasan mengapa mereka dapat bekerja saat ini adalah karena lalu lintasnya tidak banyak. Saat Anda mendapatkan lalu lintas pada pita frekuensi 5G baru ini, Anda harus menolak potensi gangguan ini. Kunci kinerjanya adalah apa yang disebut rasio signal-to-interference dan noise [SINR], jadi Anda ingin sinyal berada jauh di atas tingkat kebisingan.
Dan semakin di atas tingkat kebisingan Anda memiliki sinyal itu, semakin cepat kecepatan data dan semakin baik pengalaman pengguna. Jika Anda tidak dapat menolak pengganggu potensial di pita frekuensi yang berdekatan, maka interferensi itu meningkatkan tingkat kebisingan. Oleh karena itu signal-to-noise Anda menjadi lebih buruk yang berarti kecepatan data Anda akan menurun secara signifikan, yang pada akhirnya berarti Anda tidak bisa mendapatkan kualitas video yang Anda inginkan dan Anda mendapatkan penurunan dramatis dari masa pakai baterai karena baterai Anda berusaha bekerja lebih keras agar untuk mendapatkan sinyal.
Bagian lain dari 5G adalah tentang kecepatan dan penundaan data. Jika Anda menghabiskan banyak waktu untuk mentransmisi ulang karena kualitas sinyal Anda tidak bagus, maka penundaan Anda juga meningkat. Jadi itulah mengapa filter sangat penting karena jika Anda benar-benar ingin mendapatkan pengalaman yang dijanjikan 5G, Anda benar-benar ingin melindungi bandwidth tersebut. Verizon membayar lebih dari $40 miliar untuk C-block di AS dan hal terakhir yang ingin mereka lakukan adalah membayar semua uang itu dan menemukan pengalaman pengguna tidak jauh dari apa yang diantisipasi untuk 5G.
Produk Elektronik: Bagaimana SINR menurunkan masa pakai baterai?
Mike Edi: Teorema fisika yang disebut Hukum Shannon [Teorema Kapasitas Shannon-Hartley] memberi tahu Anda jenis kapasitas dan kecepatan data apa yang dapat Anda peroleh dari saluran RF. Ini adalah rumus yang sangat sederhana: ini adalah bandwidth, jumlah jalur RF di telepon dan jumlah antena, dan rasio sinyal-ke-interferensi dan kebisingan.
Generasi teknologi nirkabel yang berbeda ini mempengaruhi ketiga hal tersebut, jadi bandwidth berarti pita frekuensi baru yang lebih lebar dan menggabungkan beberapa pita frekuensi; ini tentang jumlah jalur RF yang merupakan jumlah antena, dan rasio sinyal-ke-interferensi dan kebisingan, yang berarti perlindungan dengan filter dan mendekatkan sumber sinyal ke pengguna. Itu sebabnya dengan 5G Anda mendengar banyak tentang kepadatan jaringan dan sel kecil karena semakin dekat Anda membawa sumber sinyal itu, semakin tinggi kekuatan sinyalnya, sehingga semakin besar SINR – rasio sinyal-ke-interferensi dan kebisingan.
Produk Elektronik: Apa itu teknologi XBAR dan bagaimana cara mengatasi beberapa tantangan 5G ini?
Mike Edi: Alat perangkat lunak kami adalah alat pemodelan elemen hingga (FEM) yang disebut Jaringan Sintetis Tak Terbatas untuk mengembangkan filter gelombang akustik yang kompleks. Jika kita mengetahui sifat material dan dimensi fisiknya, maka kita dapat memprediksi kinerja filter secara akurat. Kami mengembangkannya untuk gelombang akustik permukaan (SAW), yang merupakan teknologi 3G, dan TC-Saw [SAW berkompensasi suhu], yang merupakan perpanjangan dari teknologi 3G itu untuk 4G.
Sekitar tiga tahun yang lalu, kami ingin memperluasnya untuk teknologi gelombang akustik massal (BAW), tetapi kami juga menyadari bahwa 5G akan datang. Saat kami melihat 5G, kami tidak dapat melihat bagaimana teknologi 4G BAW akan bekerja untuk persyaratan baru ini. Jadi daripada menghabiskan waktu untuk itu, kami memutuskan untuk melihat apa yang akan menjadi teknologi gelombang akustik terbaik untuk persyaratan baru 5G. Dan saat itulah kami menemukan XBAR. Dengan perpaduan teknologi desain perangkat lunak yang sangat akurat, substrat yang direkayasa, dan tim desain kami yang berbakat, kami mengembangkan XBAR, yang merupakan teknologi BAW yang sangat berbeda dari apa pun yang ada sebelumnya. Ini cocok dengan bandwidth lebar, frekuensi tinggi, dan persyaratan penanganan daya tinggi [dari 5G].
Bagian lain tentang frekuensi tinggi berarti sinyal tidak merambat sejauh sinyal frekuensi yang lebih rendah, jadi cara untuk menyiasatinya adalah dengan meningkatkan daya. Itu berarti semua komponen dalam rantai RF harus mampu menangani daya yang lebih tinggi dan kami menemukan bahwa XBAR dapat memenuhi semua persyaratan baru ini.
Kami menunjukkan filter RF 5G [berbasis XBAR] kepada semua pemain utama di industri ini. Mereka sangat bersemangat karena semua orang mengerti bahwa persyaratan untuk 5G berubah. Di Mobile World Congress 2019, kami menunjukkan filter demonstrasi menggunakan XBAR yang memiliki semua persyaratan yang tepat untuk 5G. Ini disebut filter n79 dengan bandwidth 600-MHz dari 4.4 hingga 5 GHz, yang menolak sinyal n77 dan Wi-Fi tetangga.
Perusahaan yang bergerak paling cepat untuk bekerja dengan kami adalah perusahaan Jepang – produsen filter terbesar di dunia. Mereka dengan cepat menandatangani perjanjian untuk berinvestasi di Resonant dan juga menandatangani perjanjian pengembangan untuk filter RF menggunakan XBAR. Kami telah bekerja melalui program pengembangan itu dan kami mencapai tonggak utama kedua akhir tahun lalu. Ini berarti kami telah memenuhi semua persyaratan teknologi untuk kinerja, pengemasan, dan keandalan dan mereka memindahkan [filter RF berbasis XBAR] ke komersialisasi. Kami berharap untuk melihat desain kami di 5G, Wi-Fi, dan UWB sebagai bagian dari pasar ponsel cerdas saat kami memasuki tahun 2022. [Murata menandatangani perjanjian komersial multi-tahun untuk XBAR pada tahun 2019.]
Karakteristik utama resonator XBAR yang memenuhi persyaratan 5G (Sumber: Resonant) Klik untuk gambar yang lebih besar.
Produk Elektronik: Apakah ada hal lain yang ingin Anda tambahkan untuk para insinyur dan desainer yang terlibat dalam desain 5G?
Mike Edi: Selalu ada orang pintar di perusahaan mana pun dan ada begitu banyak rekayasa warisan, IP, pengecoran, dan fabrikasi yang terkait dengan semua teknologi sebelumnya. Mereka akan menemukan cara untuk membuatnya berfungsi untuk 5G – bandwidth lebar dan frekuensi tinggi – tetapi selalu merupakan kompromi.
XBAR dapat mencakup seluruh bandwidth dengan satu filter. Kami sudah melihat apa yang dilakukan perusahaan lain. Mereka melakukan beberapa filter untuk menutupi bandwidth. Itu akan berhasil tetapi di dunia XBAR itu akan selalu menjadi non-kompetitif karena akan lebih besar, itu akan lebih mahal, dan itu akan memiliki kinerja yang lebih rendah karena Anda memiliki lebih banyak kerugian dibandingkan dengan satu perangkat yang mencakup seluruh pita frekuensi.
Semua orang tahu bahwa pada tahun 2022 dan 2023, ketika jaringan 5G tersedia, Anda akan memerlukan filter berkinerja tinggi untuk mendapatkan pengalaman 5G itu. 5G seperti yang ada sekarang adalah gelombang satu, yang lebih merupakan pengalaman pemasaran daripada pengalaman pengguna. Operator mana yang dapat mengklaim jaringan nasional pertama dan operator mana yang dapat mengklaim kinerja terbaik. Performa 5G saat ini hampir sama dengan 4G.
Setelah jaringan dikerahkan dengan pita spektrum baru dan frekuensi baru dan Anda mulai memadatkan jaringan, saat itulah Anda akan melihat jenis kecepatan 700 megabyte/1 gigabit per detik dengan penundaan kurang dari 10 milidetik. Ini dibandingkan dengan 20-30 megabit per detik yang Anda lihat sekarang karena kami belum menerapkan jaringan yang sebenarnya.
Produk Elektronik: Apakah menurut Anda filter RF merupakan penghalang kinerja menuju 5G?
Mike Edi: Misalnya, pengunduhan film biasa membutuhkan waktu sekitar 25 menit saat ini pada jaringan 4G biasa atau jaringan 5G tahap awal. Jika Anda memiliki implementasi 5G penuh dengan pemfilteran performa tinggi, durasinya sekitar 13 atau 14 detik.
5G sangat berbeda dari generasi seluler sebelumnya. Ini memperluas kecepatan data, pemotongan kabel, dan penggunaan [kasus] nirkabel untuk kehidupan sehari-hari Anda. Kombinasi kecepatan data dan pengurangan penundaan memungkinkan aplikasi baru. Inilah sebabnya mengapa Anda banyak mendengar tentang jaringan pribadi, Industri 4.0, mobil otonom, dan operasi jarak jauh. Itu mulai membuka aplikasi baru karena penggunaan yang sama sekali berbeda yang dapat dipertimbangkan untuk kecepatan data yang tinggi dan penundaan yang rendah.