לפני שמפעילי סלולר ו- OEM יכולים לנצל את הפוטנציאל הטמון ביתרונות 5G במהירות נתונים, זמן אחזור נמוך ויכולת גדולה יותר, עליהם להתמודד עם כמה אתגרים. אלה נעים בין בעיות עלויות לתשתית וציוד ועד לחדשנות של טכנולוגיות מאפשרות, כולל מסנני RF ופתרונות, חיישנים, התקני תזמון ומוליכים למחצה.
אחת מאותן חברות חדשנות היא Resonant Inc., ספקית של פתרונות סינון RF המבוססים על פלטפורמת התוכנה של קניין רוחני (IP) שלה. החברה פיתחה את מסנן ה-XBAR RF שלה טֶכנוֹלוֹגִיָה, העונה על דרישות רוחב הפס עבור 5G ו Wi-Fi יישומי 6 ו-6e, המשתמשים בפלטפורמת התוכנה של מודלים סופיים סופיים (FEM), הנקראים Infinite Synthesized Networks (ISN). החברה שדרגה לאחרונה לפלטפורמת העיצוב החדשה של WaveX, שהוצגה ביוני, המציעה יכולת הדמיית FEM תלת-ממדית לתכנון מסנני RF, תוך מימוש מימוש היבריד מרובה עננים, בעל זיכרון גדול ב-GPU.
WaveX כולל חבילת אלגוריתמים קנייניים, כלי עיצוב תוכנה וטכניקות סינתזת רשת. זה מאפשר לצוות העיצוב של Resonant לזהות גורמים לדרבנים, לייעל את הבידוד, למזער אובדן הכנסה, לנהל את רוחב הפס ותדירות המרכז, שהם דרישות קריטיות למסנני ביצועים גבוהים של 5G, Wi-Fi ופס רחב רחב (UWB).
Resonant מספקת הדמיות תכנון, המבוססות על טכנולוגיות SAW (Wave Acoustic Wave Acoustic Surface) וטמפרטורות SAW (TC-SAW) המופצות על ידי טמפרטורה, ללקוחותיה שהם מייצרים במפעלים שלהם או אצל אחד השותפים של Resonant.
אֶלֶקטרוֹנִי מוצרים שוחח עם מייק אדי של התהודה, סגן נשיא לפיתוח ארגוני, על מסנני RF כטכנולוגיה מאפשרת ל- 5G. הנה קטע מהדיון.
מוצרים אלקטרוניים: היכן משתמשים במסננים?
מייק אדי: מסננים משמשים במכשירים רבים ושונים אך בפרט בסמארטפונים בהם עליך לנהל רצועות תדרים מרובות. סמארטפון טיפוסי, כמו אייפון 12 או 11, יהיה איפשהו בסדר גודל של 60 עד 80 פילטרים.
אינך יכול לכוון פילטרים, לכן כל טווח תדרים אחר בטלפון זקוק לסנן. ומכיוון שהכל נוגע לרוחב הפס, עליכם גם לצבור רצועות מרובות, לכן הסמארטפון מכיל אנטנות רבות. כל אנטנה זקוקה לסט חדש לגמרי של רכיבי RF שמשמעותו מערך פילטרים חדש לגמרי. כך, למשל, אייפון 12, לדעתי, היה בו משהו כמו חמש אנטנות - אחת נועדה ל- Bluetooth ו- Wi-Fi ו- GPS והארבע האחרות נועדו לסלולר.
ההיבט המעניין של 5G הוא שמדובר בקבוצה חדשה של רצועות תדרים שנמצאות בתדר גבוה בהרבה. 3G היה בעיקר על תדרים של 1 ג'יגה הרץ; 4G היה בערך תדרים של 2 ג'יגה הרץ, וכשאתה מסתכל על 5G שבו אתה רוצה לקבל קצב נתונים מהיר מאוד מאוד ועיכובים מאוד מאוד קצרים, אתה צריך רוחבי פס רחבים, והתדרים מתחת ל -3 GHz מלאים כעת. אז עבור 5G כדי לקבל רצועות תדרים חדשות בעלות רוחב פס רחב, כלומר שיעורי נתונים גבוהים ועיכוב נמוך, היית צריך להסתכל מעל 3 ג'יגה הרץ. זו הסיבה שעם 5G אתה שומע על הלהקות האלה בגל 77 ו -79 מילימטר (mmWave). שניהם מעל 3 ג'יגה הרץ, כך למשל n77 הוא בטווח של 3.3 עד 4 ג'יגה הרץ, כך שזה רוחב פס רחב בהרבה אך שוב תדירות גבוהה בהרבה.
5G תת-6-GHz ו- Wi-Fi להקות בתדרים של 3 GHz עד 7 GHz (מקור: תהודה) לחץ לתמונה גדולה יותר.
מוצרים אלקטרוניים: כיצד 5G משנה את הדרישות למסננים?
מייק אדי: מ- 3G ל- 4G עברת מתדר של 1 ג'יגה-הרץ לשני-GHz, ורוחבי הפס עברו מ -2 ל -30 מגה-הרץ ל -40 עד 60 מגה-הרץ. כשהיית בטווח של 70 GHz, 1G, הגל האקוסטי של הדהודים או אבני הבניין של המסננים נקרא SAW או גל אקוסטי עילי. זהו מכשיר פשוט מאוד עם מבנה כיפת מתכת על גבי מצע פיזואלקטרי, והמתכת נעה פיזית על מנת ליצור תהודה שממנה אתה בונה פילטר. זה היה המהוד הפיזואלקטרי המושלם לסוג כזה של תדרים ורוחב פס.
כשעוברים מ- 3G ל- 4G אז הדרישות שונות מאוד, זה 2 GHz [תדר] ועכשיו הוא רוחב הפס של 60 עד 70 מגה הרץ. ניתן היה לדחוף את SAW על מנת לעמוד בדרישות החדשות הללו אך היא לא הייתה אופטימלית.
וכך ברודקום, Avago באותה תקופה, העלה את המבנה האופטימלי לדרישות החדשות האלה, שאותן כינו FBAR [תהודה אקוסטית בתפזורת סרטים]. זה בעצם תוף מתכת סביב פיסו-אלקטרי [מצע], שהוא ניטריד מאלומיניום, וכיפת המתכת ההיא רוטטת אז בתדר של כ -2 GHz עם רוחב הפס הנכון. [Avago רכשה את Broadcom בשנת 2015.]
כעת, בין 4G ל- 5G, שוב הדרישות שונות מאוד. אתה מדבר על 3.5-4.5 GHz וזה לא רק 5G. רצועות ה- Wi-Fi החדשות נמצאות בטווח של 6 ג'יגה הרץ ופס רחב רחב (UWB) המשמשים ברכב למיקום מדויק מאוד נמצאים בטווח של 7 ג'יגה הרץ. הכל מונע מכך שאתה זקוק לרוחבי הפס הרחבים האלה ואין שום דבר זמין מתחת ל -3 GHz.
היצרנים שהצליחו היטב ב- 4G, הם מנסים להרחיב את ביצועי מבנה הגל האקוסטי (BAW), ה- FBAR, על ידי ביצוע סימום חומרים והוספת אלמנטים נוספים על מנת לעמוד בדרישות החדשות למסננים. מכיוון שאנו חברת רישוי ואין לנו מטען מדור קודם המבוסס על הנדסה, ייצור או יציקה, מה ש- Resonant עשה היה לבדוק מה יהיה המבנה הטוב ביותר, או אבן הבניין, לדרישות החדשות הללו.
יש לנו כלי תוכנה חזק מאוד ומדויק והקרנו מאות ואלפי סוגים שונים של מבנים עבור המסננים הללו והגענו ל- XBAR [סוג של מהוד אקוסטי BAW], שלדעתנו יש לו מקדם צימוד נכון על מנת לעמוד בדרישות של רוחב פס של 600 מגה הרץ, 900 מגה הרץ, 1200 מגה הרץ בתדרים של 3-13 ג'יגה הרץ, ואף מעבר לכך. אך ההתמקדות העיקרית שלנו כעת היא בטווח של 3-8 ג'יגה הרץ, שם נמצא רוב השוק כרגע.
מהוד XBAR, המציג חתך רוחב של מבנה בסיסי וגל בתפזורת הנרגש על ידי אצבעות מתמר בין-דיגיטלי (IDT) (מקור: תהודה) לחץ לתמונה גדולה יותר.
מוצרי אלקטרוניקה: בנוסף לדרישות ביצועים חדשות, עד כמה מאתגר לשמור על כיווץ גודל המסננים על מנת להכניס כל כך הרבה מהם לסמארטפון לטיפול ברצועות התדרים השונות?
מייק אדי: זה קריטי בהחלט. כשבוחנים כמה עבה הטלפון החכם בימינו, באמת צריך להקפיד על גובה המסננים. מסנן מעבר פס אופייני בטלפון הוא בערך מילימטר אחד בעובי של .35 מ"מ בערך. אז הדברים האלה הם רק מפרט של אבק אבל יש כל כך הרבה כאלה שהם תופסים הרבה שטח.
מוצרי אלקטרוניקה: מה קורה אם לא תבחר את מסנן ה- RF המתאים ליישום שלך? איך זה משפיע על הביצועים?
מייק אדי: אם אתה מסתכל על פירוק של 5G מודול ומסנני 5G שנמצאים בשימוש כרגע בשלבים המוקדמים של 5G, המסננים גרועים מאוד. הם לא דוחים הפרעות פוטנציאליות היטב והסיבה שהם יכולים לעבוד עכשיו היא כי פשוט אין הרבה תנועה. כאשר אתה מקבל תעבורה על פסי תדר 5G חדשים אלה, עליך לדחות את המפריעים הפוטנציאליים הללו. המפתח לביצועים הוא מה שנקרא יחס האות להפרעה ורעש [SINR], אז אתה רוצה את האות הרבה מעל רצפת הרעש.
וככל שמעל לרצפת הרעש יש אות זה, אז קצב הנתונים מהיר יותר וחוויית המשתמש טובה יותר. אם אינך יכול לדחות את המפריעים הפוטנציאליים ברצועות התדרים הסמוכות, הפרעה זו מעלה את רצפת הרעש. לכן האות לרעש שלך מחמיר מה שאומר שקצב הנתונים שלך מושפל באופן משמעותי, מה שבסופו של דבר אומר שאתה לא יכול להשיג את איכות הווידאו שאתה רוצה ואתה מקבל השפלה דרמטית של חיי הסוללה מכיוון שהסוללה שלך מנסה לעבוד קשה יותר על מנת כדי לקבל את האות.
החלק האחר של 5G עוסק בקצב ועיכוב נתונים. אם אתה משקיע זמן רב בהעברה מחודשת מכיוון שאיכות האות שלך לא טובה, אז גם העיכוב שלך עולה. אז בגלל זה מסננים כל כך חשובים כי אם אתה באמת רוצה לקבל את החוויה ש 5G מבטיח אתה באמת רוצה להגן על רוחב הפס הזה. ורייזון שילמה מעל 40 מיליארד דולר עבור חסימת C בארה"ב והדבר האחרון שהם רוצים לעשות הוא לשלם את כל הכסף הזה ולמצוא שחוויית המשתמש אינה קרובה למה שצפוי עבור 5G.
מוצרי אלקטרוניקה: כיצד SINR משבש את חיי הסוללה?
מייק אדי: משפט פיזיקה הנקרא חוק שאנון [משפט הקיבולת של שאנון-הרטלי] אומר לך איזה סוג של קיבולת וקצב נתונים אתה יכול להוציא מערוץ RF. זו נוסחה פשוטה מאוד: זו רוחב הפס, מספר נתיבי ה- RF בטלפון ומספר האנטנות, ויחס ההפרעה לאות ורעש.
הדורות השונים הללו של הטכנולוגיה האלחוטית משפיעים על שלושת הדברים הללו, לכן רוחב הפס פירושו רצועות תדרים חדשות רחבות יותר ומצטברות רצועות תדרים מרובות; מדובר במספר נתיבי ה- RF שהוא מספר האנטנות, ויחס הפרעות אות ורעש, כלומר הגנה באמצעות פילטרים וקירוב מקור האות למשתמש. זו הסיבה שעם 5G אתה שומע הרבה על צפיפות הרשת והתאים הקטנים מכיוון שככל שאתה מקרב את מקור האות הזה, כך עוצמת האות גבוהה יותר, כך SINR גדול יותר - יחס האות להפרעה ורעש.
מוצרי אלקטרוניקה: מהי טכנולוגיית XBAR וכיצד היא פותרת חלק מהאתגרים הללו של 5G?
מייק אדי: כלי התוכנה שלנו הוא כלי דוגמנות אלמנטים סופיים (FEM) הנקרא Infinite Synthesized Networks לפיתוח מסנני גל אקוסטיים מורכבים. אם אנו מכירים את מאפייני החומרים והממדים הפיזיים, נוכל לחזות במדויק את ביצועי המסנן. פיתחנו אותו עבור גל אקוסטי עילי (SAW), שהוא טכנולוגיית 3G, ו- TC-Saw [SAW מפוצה על ידי טמפרטורה], המהווה הרחבה של טכנולוגיית 3G זו עבור 4G.
לפני כשלוש שנים חיפשנו להרחיב אותו לטכנולוגיית גל אקוסטי בתפזורת (BAW), אך הבנו גם כי 5G מגיע. כאשר הסתכלנו על 5G לא יכולנו לראות כיצד טכנולוגיית 4G BAW תעבוד לדרישות החדשות הללו. אז במקום להשקיע זמן בזה החלטנו לבדוק מה תהיה טכנולוגיית הגל האקוסטי הטובה ביותר לדרישות החדשות של 5G. ואז המצאנו את XBAR. עם הצומת של טכנולוגיית עיצוב התוכנה המדויקת מאוד שלנו, מצעים מהונדסים וצוות העיצוב המוכשר שלנו, פיתחנו את XBAR, שהיא טכנולוגיית BAW שונה מאוד מכל מה שהיה קיים בעבר. הוא תואם את דרישות הטיפול ברוחב הפס הרחב, בתדירות הגבוהה ובספק גבוה [של 5G].
החלק השני בנושא תדרים גבוהים פירושו שהאותות אינם מתפשטים עד לאותות התדרים הנמוכים יותר, ולכן הדרך לעקוף זאת היא להגדיל את הכוח. פירוש הדבר שכל הרכיבים בשרשרת ה- RF צריכים להיות מסוגלים להתמודד עם הספק גבוה יותר ומצאנו ש- XBAR יכול לעמוד בכל הדרישות החדשות הללו.
הראינו את מסנני ה- RF 5G [מבוססי XBAR] לכל השחקנים הגדולים בענף. הם התרגשו מאוד מכיוון שכולם הבינו שהדרישות משתנות ל- 5G. בקונגרס העולמי הנייד 2019, הצגנו פילטר הדגמה באמצעות XBAR שהיו עם כל הדרישות הנכונות עבור 5G. זה נקרא מסנן n79 עם רוחב פס של 600 מגה הרץ מ -4.4 עד 5 ג'יגה הרץ, שדחה את אותות ה- n77 וה- Wi-Fi הסמוכים.
החברה שעברה הכי מהר לעבוד איתנו הייתה חברה יפנית - יצרנית המסננים הגדולה בעולם. הם חתמו מהר מאוד על הסכם להשקעה בתהודה וחתמו גם על הסכם פיתוח למסנני RF באמצעות XBAR. עבדנו בתכנית פיתוח זו ופגשנו את אבן הדרך הגדולה השנייה בסוף השנה שעברה. משמעות הדבר היא שעמדנו בכל דרישות הטכנולוגיה לביצועים, אריזה ואמינות והם מעבירים את המסננים [מסנני RF מבוססי XBAR] למסחור. אנו מצפים לראות את העיצובים שלנו ב- 5G, Wi-Fi ו- UWB כחלק משוק הסמארטפונים עם כניסתנו לשנת 2022. [מוראטה חתמה על הסכם מסחרי רב שנתי ל- XBAR בשנת 2019.]
מאפייני המפתח של מהוד XBAR העונה לדרישות 5G (מקור: תהודה) לחץ לתמונה גדולה יותר.
מוצרי אלקטרוניקה: האם יש עוד משהו שתרצה להוסיף עבור מהנדסים ומעצבים העוסקים בעיצובים של 5G?
מייק אדי: תמיד יש אנשים חכמים בכל חברה ויש כל כך הרבה הנדסת מורשת, IP, יציקה וייצור שקשורים לכל אותן טכנולוגיות קודמות. הם ימצאו דרך לגרום לזה לעבוד עבור 5G - רוחב הפס הרחב והתדירות הגבוהה - אבל זה תמיד פשרה.
XBAR יכול לכסות את כל רוחב הפס עם מסנן יחיד. אנחנו כבר רואים מה החברות האחרות עושות. הם עושים מספר פילטרים כדי לכסות את רוחבי הפס. זה יעבוד אבל בעולם XBAR זה תמיד יהיה לא תחרותי כי זה יהיה גדול יותר, זה יהיה יקר יותר ויהיה לו ביצועים נמוכים יותר כי יש לך יותר הפסדים בהשוואה למכשיר יחיד שמכסה את כל התדרים.
כולם יודעים שבשנת 2022 ו -2023, כאשר רשתות 5G קיימות, תזדקק למסננים בעלי ביצועים גבוהים על מנת לקבל את חוויית 5G זו. 5G כפי שהוא נכון לעכשיו הוא גל אחד, שהוא יותר חווית שיווק מאשר חווית משתמש. זהו איזה ספק יכול לתבוע את הרשת הארצית הראשונה ואיזה ספק יכול לקבל את הביצועים הטובים ביותר. הביצועים של 5G כרגע זהים ל- 4G.
ברגע שתקבל את הרשת עם רצועות ספקטרום חדשות ותדרים חדשים ותתחיל לאטט את הרשת, כאשר תראה 700 מגה / 1 ג'יגה לשניה של תעריפים עם עיכוב של פחות מ -10 מילישניות. זאת בהשוואה ל 20-30 מגה ביט לשנייה שאתה רואה כרגע מכיוון שעדיין לא פרסנו את הרשת האמיתית.
מוצרי אלקטרוניקה: האם לדעתך מסנני RF הם מחסום ביצועים ל- 5G?
מייק אדי: לדוגמא, הורדת סרט טיפוסית אורכת כרגע כ- 25 דקות ברשת 4G טיפוסית או בשלב 5G בשלב מוקדם. אם יש לך מימוש מלא של 5G עם סינון ביצועים גבוהים זה בסדר גודל של 13 או 14 שניות.
5G שונה מאוד מהדורות הסלולריים הקודמים. זה מאריך את מהירות הנתונים, חיתוך הכבל ושימוש [מקרים] של אלחוטי לחיי היומיום שלך. השילוב של מהירות נתונים ועיכוב מופחת מאפשר יישומים חדשים. זו הסיבה שאתה שומע הרבה על רשתות פרטיות, תעשיה 4.0, מכוניות אוטונומיות וניתוחים מרוחקים. זה מתחיל לפתוח יישומים חדשים בגלל השימושים השונים לחלוטין שניתן לחזות עבור שיעורי נתונים גבוהים ועיכוב נמוך.