Prima che gli operatori mobili e gli OEM possano sfruttare il potenziale dei vantaggi del 5G in termini di velocità dei dati, latenza ultra bassa e maggiore capacità, devono superare diverse sfide. Questi vanno da problemi di costo per infrastrutture e apparecchiature all'innovazione di tecnologie abilitanti, inclusi filtri e soluzioni RF, sensori, dispositivi di temporizzazione e semiconduttori.
Una di queste società innovative è Resonant Inc., un fornitore di soluzioni di filtri RF basate sulla sua piattaforma software di proprietà intellettuale (IP). L'azienda ha sviluppato il filtro RF XBAR la tecnologia, che soddisfa i requisiti di larghezza di banda per 5G e Wi-Fi 6 e 6e, utilizzando la sua piattaforma software legacy di modellazione degli elementi finiti (FEM), chiamata Infinite Synthesized Networks (ISN). L'azienda ha recentemente effettuato l'aggiornamento alla nuova piattaforma di progettazione WaveX, introdotta a giugno, che offre funzionalità di simulazione FEM 3D per progettare filtri RF, sfruttando un'implementazione ibrida multi-cloud e basata su GPU con memoria di grandi dimensioni.
WaveX comprende una suite di algoritmi proprietari, strumenti di progettazione software e tecniche di sintesi di rete. Consente al team di progettazione di Resonant di identificare le cause degli spuri, ottimizzare l'isolamento, ridurre al minimo la perdita di inserzione, gestire la larghezza di banda e la frequenza centrale, che sono requisiti critici per i filtri 5G, Wi-Fi e Ultra-wideband (UWB) ad alte prestazioni.
Resonant fornisce ai suoi clienti simulazioni di progettazione, basate sulle tecnologie di onde acustiche di superficie (SAW) e SAW con compensazione della temperatura (TC-SAW), che producono nei loro stabilimenti o presso uno dei partner di fonderia di Resonant.
Elettronico Prodotti ha parlato con Mike Eddy di Resonant, vicepresidente dello sviluppo aziendale, dei filtri RF come tecnologia abilitante per il 5G. Ecco un estratto della discussione.
Prodotti elettronici: dove vengono utilizzati i filtri?
Mike Eddie: I filtri sono utilizzati in molti dispositivi diversi ma in particolare negli smartphone dove è necessario gestire più bande di frequenza. Uno smartphone tipico, come un iPhone 12 o 11, avrà da qualche parte nell'ordine da 60 a 80 filtri.
Non è possibile sintonizzare i filtri, quindi ogni banda di frequenza diversa in un telefono ha bisogno di un filtro. E poiché tutto riguarda la larghezza di banda, devi anche aggregare più bande, ecco perché uno smartphone ha molte antenne. Ogni antenna ha bisogno di un nuovo set di componenti RF, il che significa un intero nuovo set di filtri. Quindi, per esempio, un iPhone 12, penso che avesse qualcosa come cinque antenne: una era per Wi-Fi Bluetooth e GPS e le altre quattro erano tutte per cellulari.
L'aspetto interessante del 5G è che si tratta di un nuovo set di bande di frequenza che si trovano a una frequenza molto più alta. Il 3G riguardava principalmente le frequenze da 1 GHz; Il 4G riguardava le frequenze a 2 GHz e, se guardi al 5G, dove vuoi avere velocità di trasmissione dati molto, molto elevate e ritardi molto, molto brevi, hai bisogno di ampie larghezze di banda e le frequenze inferiori a 3 GHz sono ora piene. Quindi, per il 5G, per ottenere nuove bande di frequenza con larghezza di banda ampia, il che significa velocità di trasmissione dati elevate e ritardo ridotto, era necessario guardare al di sopra dei 3 GHz. Ecco perché con il 5G si sente parlare di queste bande in onde da 77 e 79 millimetri (mmWave). Sono entrambi sopra i 3 GHz, quindi per esempio n77 è nell'intervallo da 3.3 a 4 GHz, quindi è una larghezza di banda molto più ampia ma di nuovo una frequenza molto più alta.
Bande 5G sub-6-GHz e Wi-Fi nelle frequenze da 3 GHz a 7 GHz (Fonte: risonante) Fare clic per un'immagine più grande.
Prodotti elettronici: in che modo il 5G cambia i requisiti per i filtri?
Mike Eddie: Dal 3G al 4G sei passato da circa 1 GHz a 2 GHz di frequenza e le larghezze di banda sono passate da 30 a 40 MHz a 60 a 70 MHz. Quando eri a 1 GHz, 3G, l'onda acustica di risonanza o elementi costitutivi dei filtri era chiamata SAW o onda acustica di superficie. È un dispositivo molto semplice con una struttura a cupola metallica sopra un substrato piezoelettrico e il metallo si muove fisicamente per generare una risonanza da cui si costruisce un filtro. Quello era il risonatore piezoelettrico perfetto per quel tipo di frequenza e larghezza di banda.
Quando passi da 3G a 4G, i requisiti sono molto diversi, è 2 GHz [frequenza] e ora è larghezza di banda da 60 a 70 MHz. SAW poteva essere spinto per soddisfare questi nuovi requisiti, ma non era ottimale.
E così Broadcom, all'epoca Avago, escogitò quale fosse la struttura ottimale per questi nuovi requisiti, che chiamarono FBAR [risuonatore acustico di massa a film]. È fondamentalmente un tamburo di metallo attorno a un [substrato] piezoelettrico, che è nitruro di alluminio, e quella cupola di metallo vibra a una frequenza di circa 2 GHz con il giusto tipo di larghezza di banda. [Avago ha acquisito Broadcom nel 2015.]
Passando ora dal 4G al 5G, di nuovo, i requisiti sono molto diversi. Stai parlando di 3.5-4.5 GHz e non è solo 5G. Le nuove bande Wi-Fi sono a 6 GHz e la banda ultra larga (UWB) utilizzata nell'auto per una localizzazione molto precisa è nella gamma di 7 GHz. Tutto è guidato dal fatto che hai bisogno di queste ampie larghezze di banda e non c'è nulla disponibile al di sotto dei 3 GHz.
I produttori che sono riusciti a cavarsela bene in 4G, stanno cercando di estendere le prestazioni della loro struttura a onde acustiche di massa (BAW), la FBAR, dopando i materiali e aggiungendo elementi extra per soddisfare i nuovi requisiti per i filtri. Dal momento che siamo una società di licenze e non abbiamo un bagaglio legacy basato su ingegneria, produzione o fonderia, ciò che ha fatto Resonant è stato guardare quale sarebbe stata la migliore struttura, o blocco di costruzione, per questi nuovi requisiti.
Abbiamo uno strumento software molto potente e accurato e abbiamo esaminato centinaia e migliaia di diversi tipi di strutture per questi filtri e abbiamo creato XBAR [un tipo di risonatore acustico BAW], che riteniamo abbia il giusto coefficiente di accoppiamento per soddisfare i requisiti di larghezza di banda di 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz a frequenze da 3-13 GHz e anche oltre. Ma il nostro obiettivo principale ora è la gamma 3-8 GHz, che è dove si trova la maggior parte del mercato in questo momento.
Risonatore XBAR, che mostra la sezione trasversale della struttura di base e l'onda di massa eccitata dalle dita del trasduttore interdigitale (IDT) in metallo (Fonte: Risonante) Fare clic per un'immagine più grande.
Prodotti elettronici: oltre ai nuovi requisiti di prestazioni, quanto è difficile continuare a ridurre le dimensioni dei filtri per inserirne così tanti in uno smartphone per gestire le diverse bande di frequenza?
Mike Eddie: È assolutamente critico. Quando guardi quanto è spesso uno smartphone in questi giorni, devi davvero stare attento all'altezza dei filtri. Un tipico filtro passa-banda in un telefono è di circa un millimetro quadrato per circa 35 mm di spessore. Quindi queste cose sono solo particelle di polvere, ma ce ne sono così tante che occupano molta area.
Prodotti elettronici: Cosa succede se non selezioni il filtro RF giusto per la tua applicazione? Come influisce sulle prestazioni?
Mike Eddie: Se guardi uno smontaggio di un 5G modulo e i filtri 5G che vengono utilizzati proprio ora nelle prime fasi del 5G, i filtri sono molto scadenti. Non respingono molto bene le potenziali interferenze e il motivo per cui possono funzionare in questo momento è perché non c'è molto traffico. Man mano che ricevi traffico su queste nuove bande di frequenza 5G, devi respingere questi potenziali interferenti. La chiave per le prestazioni è quello che viene chiamato rapporto segnale-interferenza e rumore [SINR], quindi il segnale deve essere molto al di sopra del rumore di fondo.
E più al di sopra del rumore di fondo hai quel segnale, più veloce è la velocità dei dati e migliore è l'esperienza dell'utente. Se non puoi rifiutare i potenziali interferenti nelle bande di frequenza vicine, allora quell'interferenza aumenta il rumore di fondo. Pertanto il tuo rapporto segnale-rumore peggiora, il che significa che la velocità dei dati viene notevolmente ridotta, il che alla fine significa che non puoi ottenere la qualità video desiderata e si ottiene un drammatico degrado della durata della batteria perché la batteria sta cercando di lavorare di più per ricevere il segnale.
L'altra parte del 5G riguarda la velocità e il ritardo dei dati. Se passi molto tempo a ritrasmettere perché la qualità del segnale non è buona, anche il ritardo aumenta. Ecco perché i filtri sono così importanti perché se vuoi davvero ottenere l'esperienza che il 5G promette, vuoi davvero proteggere quella larghezza di banda. Verizon ha pagato oltre $ 40 miliardi per il blocco C negli Stati Uniti e l'ultima cosa che vogliono fare è pagare tutti quei soldi e scoprire che l'esperienza dell'utente non è affatto vicina a quella prevista per il 5G.
Prodotti elettronici: in che modo il SINR degrada la durata della batteria?
Mike Eddie: Un teorema di fisica chiamato legge di Shannon [Shannon-Hartley Capacity Theorem] ti dice che tipo di capacità e velocità di dati puoi ottenere da un canale RF. È una formula molto semplice: è la larghezza di banda, il numero di percorsi RF nel telefono e il numero di antenne, e il rapporto segnale-interferenza e rumore.
Queste diverse generazioni di tecnologia wireless stanno influenzando queste tre cose, quindi larghezza di banda significa nuove bande di frequenza che sono più ampie e aggregano più bande di frequenza; riguarda il numero di percorsi RF che è il numero di antenne e il rapporto segnale-interferenza e rumore, che significa protezione con filtri e avvicinare la sorgente del segnale all'utente. Ecco perché con il 5G si sente molto parlare di densificazione della rete e delle piccole celle perché più ci si avvicina a quella sorgente di segnale, maggiore è la potenza del segnale, quindi maggiore è il SINR, il rapporto segnale-interferenza e rumore.
Prodotti elettronici: cos'è la tecnologia XBAR e come risolve alcune di queste sfide 5G?
Mike Eddie: Il nostro strumento software è uno strumento di modellazione a elementi finiti (FEM) chiamato Infinite Synthesized Networks per sviluppare complessi filtri per onde acustiche. Se conosciamo le proprietà dei materiali e le dimensioni fisiche, possiamo prevedere con precisione le prestazioni del filtro. Lo abbiamo sviluppato per l'onda acustica di superficie (SAW), che è una tecnologia 3G, e TC-Saw [SAW con compensazione della temperatura], che è un'estensione di quella tecnologia 3G per il 4G.
Circa tre anni fa, stavamo cercando di estenderlo alla tecnologia delle onde acustiche di massa (BAW), ma ci siamo anche resi conto che il 5G stava arrivando. Quando abbiamo esaminato il 5G, non siamo riusciti a vedere come la tecnologia BAW 4G avrebbe funzionato per questi nuovi requisiti. Quindi, piuttosto che dedicarci del tempo, abbiamo deciso di esaminare quale sarebbe stata la migliore tecnologia delle onde acustiche per i nuovi requisiti del 5G. Ed è allora che abbiamo inventato XBAR. Con l'intersezione della nostra tecnologia di progettazione software molto accurata, dei substrati ingegnerizzati e del nostro talentuoso team di progettazione, abbiamo sviluppato XBAR, che è una tecnologia BAW molto diversa da qualsiasi cosa esistesse in precedenza. Soddisfa l'ampia larghezza di banda, l'alta frequenza e i requisiti di gestione ad alta potenza [del 5G].
L'altra parte sull'alta frequenza significa che i segnali non si propagano fino ai segnali a bassa frequenza, quindi il modo per aggirare questo è aumentare la potenza. Ciò significa che tutti i componenti della catena RF devono essere in grado di gestire una potenza maggiore e abbiamo scoperto che XBAR potrebbe soddisfare tutti questi nuovi requisiti.
Abbiamo mostrato i filtri RF 5G [basati su XBAR] a tutti i principali attori del settore. Ne erano molto entusiasti perché tutti capivano che i requisiti stavano cambiando per il 5G. Al Mobile World Congress 2019, abbiamo mostrato un filtro dimostrativo utilizzando XBAR che aveva tutti i requisiti giusti per il 5G. Si chiama filtro n79 con una larghezza di banda di 600 MHz da 4.4 a 5 GHz, che ha rifiutato i vicini segnali n77 e Wi-Fi.
L'azienda che si è mossa più rapidamente per lavorare con noi è stata un'azienda giapponese, il più grande produttore di filtri al mondo. Hanno firmato molto rapidamente un accordo per investire in Resonant e hanno anche firmato un accordo di sviluppo per filtri RF utilizzando XBAR. Abbiamo lavorato su quel programma di sviluppo e abbiamo raggiunto il secondo importante traguardo alla fine dell'anno scorso. Ciò significa che abbiamo soddisfatto tutti i requisiti tecnologici per le prestazioni, l'imballaggio e l'affidabilità e stanno spostando i [filtri RF basati su XBAR] alla commercializzazione. Ci aspettiamo di vedere i nostri progetti in 5G, Wi-Fi e UWB come parte del mercato degli smartphone quando entriamo nel 2022. [Murata ha firmato un accordo commerciale pluriennale per XBAR nel 2019.]
Caratteristiche principali del risonatore XBAR che soddisfa i requisiti 5G (Fonte: Risonante) Fare clic per un'immagine più grande.
Prodotti elettronici: c'è qualcos'altro che vorresti aggiungere per ingegneri e designer coinvolti nei progetti 5G?
Mike Eddie: Ci sono sempre persone intelligenti in qualsiasi azienda e ci sono così tante tecnologie legacy, IP, fonderie e fabbricazione associate a tutte quelle tecnologie precedenti. Troveranno un modo per farlo funzionare per il 5G – l'ampia larghezza di banda e l'alta frequenza – ma è sempre un compromesso.
XBAR può coprire l'intera larghezza di banda con un singolo filtro. Stiamo già vedendo cosa stanno facendo le altre società. Stanno facendo più filtri per coprire le larghezze di banda. Funzionerà, ma in un mondo XBAR sarà sempre non competitivo perché sarà più grande, sarà più costoso e avrà prestazioni inferiori perché hai più perdite rispetto a un singolo dispositivo che copre il intera banda di frequenza.
Tutti sanno che nel 2022 e nel 2023, quando le reti 5G saranno disponibili, avrai bisogno di filtri ad alte prestazioni per ottenere quell'esperienza 5G. Il 5G così com'è in questo momento è la prima ondata, che è più un'esperienza di marketing che un'esperienza utente. Indica quale vettore può vantare la prima rete nazionale e quale vettore può vantare le migliori prestazioni. Le prestazioni del 5G in questo momento sono circa le stesse del 4G.
Una volta che la rete è stata distribuita con nuove bande di spettro e nuove frequenze e inizi a densificare la rete, vedrai una velocità di 700 megabyte/1 gigabit al secondo con un ritardo inferiore a 10 millisecondi. Questo è in confronto ai 20-30 megabit al secondo che vedi adesso perché non abbiamo ancora implementato la rete reale.
Prodotti elettronici: pensi che i filtri RF siano un ostacolo alle prestazioni per il 5G?
Mike Eddie: Ad esempio, il download di un film tipico richiede circa 25 minuti in questo momento su una tipica rete 4G o 5G in fase iniziale. Se disponi di un'implementazione 5G completa con filtri ad alte prestazioni, è dell'ordine di 13 o 14 secondi.
Il 5G è molto diverso dalle precedenti generazioni cellulari. Sta estendendo la velocità dei dati, il taglio del cavo e l'uso di [casi] del wireless per la vita di tutti i giorni. La combinazione di velocità dei dati e ritardo ridotto consente nuove applicazioni. Ecco perché si sente molto parlare di reti private, Industria 4.0, auto autonome e interventi chirurgici a distanza. Sta iniziando ad aprire nuove applicazioni a causa degli usi totalmente diversi che possono essere previsti per velocità di trasmissione dati elevate e ritardo ridotto.