モバイル事業者とOEMが、データ速度、超低遅延、および大容量という5Gの利点の可能性を活用するには、いくつかの課題を克服する必要があります。 これらは、インフラストラクチャと機器のコストの問題から、RFフィルタとソリューション、センサー、タイミングデバイス、半導体などの実現技術の革新にまで及びます。
そうしたイノベーション企業の XNUMX つが、知的財産 (IP) ソフトウェア プラットフォームに基づいた RF フィルター ソリューションのプロバイダーである Resonant Inc. です。 同社はXBAR RFフィルターを開発しました テクノロジー、5G の帯域幅要件を満たしており、 Wi-Fi 6 および 6e アプリケーションは、無限合成ネットワーク (ISN) と呼ばれる従来の有限要素モデリング (FEM) ソフトウェア プラットフォームを使用します。同社は最近、3 月に導入された新しい WaveX 設計プラットフォームにアップグレードしました。このプラットフォームは、ハイブリッド マルチクラウドの大容量メモリ GPU を搭載した実装を活用して、RF フィルタを設計するための XNUMXD FEM シミュレーション機能を提供します。
WaveXには、独自のアルゴリズム、ソフトウェア設計ツール、およびネットワーク合成技術のスイートが含まれています。 これにより、Resonant設計チームは、スプリアスの原因を特定し、分離を最適化し、挿入損失を最小限に抑え、帯域幅と中心周波数を管理できます。これらは、高性能5G、Wi-Fi、および超広帯域（UWB）フィルターの重要な要件です。
Resonantは、弾性表面波（SAW）および温度補償SAW（TC-SAW）テクノロジーに基づく設計シミュレーションを、ファブまたはResonantのファウンドリパートナーのXNUMXつで製造する顧客に提供します。
エレクトロニック 製品 5Gを実現するテクノロジーとしてのRFフィルターについて、Resonantの企業開発担当副社長であるMikeEddyと話をしました。 これが議論からの抜粋です。
電子製品：フィルターはどこで使用されますか？
マイク・エディ： フィルタはさまざまなデバイスで使用されますが、特に複数の周波数帯域を管理する必要があるスマートフォンで使用されます。 iPhone 12や11などの一般的なスマートフォンには、60〜80個のフィルターがあります。
フィルタを調整することはできません。したがって、電話のすべての異なる周波数帯域にフィルタが必要です。 また、すべてが帯域幅に関するものであるため、複数の帯域を集約する必要もあります。そのため、スマートフォンには多くのアンテナがあります。 各アンテナには、まったく新しいRFコンポーネントのセットが必要です。これは、まったく新しいフィルターのセットを意味します。 たとえば、iPhone 12の場合、アンテナはXNUMXつあると思います。XNUMXつはWi-Fi BluetoothとGPS用で、他のXNUMXつはすべてセルラー用でした。
5Gの興味深い側面は、はるかに高い周波数にある新しい周波数帯域のセットであるということです。 3Gは主に約1GHzの周波数でした。 4Gは約2GHzの周波数でしたが、非常に高速なデータレートと非常に短い遅延が必要な5Gを見ると、広い帯域幅が必要であり、3GHz未満の周波数がいっぱいになっています。 したがって、5Gの場合、帯域幅が広く、つまりデータレートが高く、遅延が少ない新しい周波数帯域を取得するには、3GHz以上を調べる必要がありました。 そのため、5Gでは、77ミリ波と79ミリ波（mmWave）のこれらの帯域について耳にします。 どちらも3GHzを超えているため、たとえばn77は3.3〜4 GHzの範囲にあるため、帯域幅ははるかに広くなりますが、周波数もはるかに高くなります。
5 GHz〜6 GHz周波数の3Gサブ7GHzおよびWi-Fi帯域（出典：Resonant）クリックすると拡大画像が表示されます。
電子製品：5Gはフィルターの要件をどのように変更しますか？
マイク・エディ： 3Gから4Gに、約1GHzから2GHzの周波数になり、帯域幅は30から40 MHz、60から70MHzになりました。 1 GHz、3Gの場合、フィルターの共振またはビルディングブロックの音波はSAWまたは弾性表面波と呼ばれていました。 これは、圧電基板の上に金属ドーム構造を備えた非常に単純なデバイスであり、フィルターを構築するための共振を生成するために金属が物理的に移動しています。 それは、そのような周波数と帯域幅に最適な圧電共振器でした。
3Gから4Gに移行すると、要件は大きく異なり、2 GHz [周波数]になり、帯域幅は60〜70MHzになります。 これらの新しい要件を満たすためにSAWをプッシュすることはできましたが、最適ではありませんでした。
そのため、当時アバゴであったBroadcomは、これらの新しい要件に最適な構造を考案しました。これをFBAR [フィルムバルク音響共振器]と呼びました。 これは基本的に、窒化アルミニウムである圧電[基板]の周りの金属ドラムであり、その金属ドームは、適切な種類の帯域幅で約2GHzの周波数で振動します。 [Avagoは2015年にBroadcomを買収しました。]
今度は4Gから5Gに移行しますが、ここでも要件は大きく異なります。 あなたは3.5-4.5GHzについて話していて、それは5Gだけではありません。 新しいWi-Fi帯域は6GHzであり、非常に正確な位置を特定するために車で使用されている超広帯域（UWB）は7GHzの範囲です。 それはすべて、これらの広い帯域幅が必要であり、3GHz未満で利用できるものがないという事実によって推進されています。
4Gで成功を収めたメーカーは、フィルターの新しい要件を満たすために、材料のドーピングを行い、要素を追加することで、バルク音波（BAW）構造であるFBARのパフォーマンスを拡張しようとしています。 私たちはライセンス会社であり、エンジニアリング、製造、またはファウンドリに基づくレガシーの手荷物を持っていないため、Resonantが行ったのは、これらの新しい要件に最適な構造またはビルディングブロックを検討することでした。
私たちは非常に強力で正確なソフトウェアツールを持っており、これらのフィルターの数百、数千の異なる種類の構造をスクリーニングし、要件を満たすために適切な結合係数を持つと信じているXBAR [BAW音響共振器の一種]を考案しました600〜900 GHz、さらにはそれを超える周波数で1200 MHz、3 MHz、13MHzの帯域幅を実現します。 しかし、現在私たちの主な焦点は3〜8 GHzの範囲にあり、これは現在市場のほとんどが存在する場所です。
XBAR共振器、金属インターデジタルトランスデューサー（IDT）フィンガーによって励起された基本構造とバルク波の断面を示しています（出典：共振）クリックすると拡大画像が表示されます。
エレクトロニクス製品：新しいパフォーマンス要件に加えて、さまざまな周波数帯域を処理するために非常に多くのフィルターをスマートフォンに収めるために、フィルターのサイズを縮小し続けることはどれほど難しいですか？
マイク・エディ： それは絶対に重要です。 最近のスマホの厚みを見ると、フィルターの高さに気をつけなければなりません。 電話の典型的なバンドパスフィルターは、約35mm四方×約XNUMXmmの厚さです。 ですから、これらは単なるほこりのスペックですが、それらの数が非常に多いため、多くの領域を占めます。
エレクトロニクス製品： アプリケーションに適切なRFフィルターを選択しないとどうなりますか？ パフォーマンスにどのように影響しますか？
マイク・エディ： 5G の分解図を見てみると モジュール そして現在 5G の初期段階で使用されている 5G フィルターは非常に貧弱です。 潜在的な干渉をうまく拒否できません。現時点で機能できるのは、トラフィックがそれほど多くないからです。 これらの新しい 5G 周波数帯域でトラフィックを受信する場合は、これらの潜在的な干渉源を拒否する必要があります。 パフォーマンスの鍵となるのは、信号対干渉およびノイズ比 [SINR] と呼ばれるものであるため、信号がノイズ フロアよりもはるかに高いことが必要です。
そして、その信号がノイズフロアより上にあるほど、データレートが速くなり、ユーザーエクスペリエンスが向上します。 隣接する周波数帯域の潜在的な干渉を排除できない場合、その干渉によってノイズフロアが上昇します。 したがって、信号対雑音比が悪化し、データレートが大幅に低下します。つまり、最終的には、必要なビデオ品質を得ることができず、バッテリーが正常に動作しようとしているため、バッテリー寿命が劇的に低下します。信号を取得します。
5Gの他の部分は、すべてデータレートと遅延に関するものです。 信号の品質が良くないために再送信に多くの時間を費やしている場合は、遅延も大きくなります。 そのため、フィルターが非常に重要です。5Gが約束するエクスペリエンスを本当に取得したい場合は、その帯域幅を本当に保護したいからです。 Verizonは米国のCブロックに40億ドル以上を支払いました。彼らがしたい最後のことは、そのすべてのお金を支払い、ユーザーエクスペリエンスが5Gに期待されるものにほど遠いことを見つけることです。
エレクトロニクス製品：SINRはバッテリーの寿命をどのように低下させますか？
マイク・エディ： シャノンの法則[シャノンハートレー容量定理]と呼ばれる物理定理は、RFチャネルから取得できる容量とデータレートの種類を示します。 これは非常に単純な式です。帯域幅、電話のRFパスの数とアンテナの数、および信号対干渉とノイズ比です。
これらの異なる世代のワイヤレステクノロジーは、これら5つのことに影響を与えているため、帯域幅とは、より広く、複数の周波数帯域を集約する新しい周波数帯域を意味します。 それは、アンテナの数であるRFパスの数、および信号対干渉とノイズ比に関するものです。これは、フィルターで保護し、信号源をユーザーに近づけることを意味します。 そのため、XNUMXGでは、ネットワークとスモールセルの高密度化について多くのことを耳にします。これは、その信号ソースを近づけるほど信号強度が高くなり、SINR（信号対干渉およびノイズ比）が大きくなるためです。
エレクトロニクス製品：XBARテクノロジーとは何ですか？XBARテクノロジーはこれらの5Gの課題のいくつかをどのように解決しますか？
マイク・エディ： 当社のソフトウェアツールは、複雑な音波フィルターを開発するためのInfinite Synthesized Networksと呼ばれる有限要素モデリング（FEM）ツールです。 材料特性と物理的寸法がわかれば、フィルターの性能を正確に予測できます。 3G技術である弾性表面波（SAW）と、その3G技術を4Gに拡張したTC-Saw [温度補償SAW]用に開発しました。
約5年前、バルク音波（BAW）テクノロジーに拡張することを検討していましたが、5Gが登場していることにも気づきました。 4Gを調べたところ、これらの新しい要件に対して5GBAWテクノロジーがどのように機能するかがわかりませんでした。 そのため、それに時間を費やすのではなく、5Gの新しい要件に最適な音波技術を検討することにしました。 そして、それが私たちがXBARを発明したときです。 非常に正確なソフトウェア設計技術、設計された基板、および才能のある設計チームが交差することで、これまで存在していたものとは大きく異なるBAW技術であるXBARを開発しました。 これは、[XNUMXGの]広帯域幅、高周波、および高電力の処理要件に適合します。
高周波に関する他の部分は、信号が低周波信号まで伝播しないことを意味します。したがって、それを回避する方法は、電力を増やすことです。 つまり、RFチェーン内のすべてのコンポーネントがより高い電力を処理できる必要があり、XBARがこれらの新しい要件をすべて満たすことができることがわかりました。
[XBARベースの] 5GRFフィルターを業界のすべての主要プレーヤーに紹介しました。 誰もが5Gの要件が変化していることを理解していたので、彼らはそれについて非常に興奮していました。 モバイルワールドコングレス2019で、5Gのすべての適切な要件を備えたXBARを使用したデモフィルターを紹介しました。 これは、79〜600GHzの4.4MHz帯域幅を持つn5フィルターと呼ばれ、隣接するn77およびWi-Fi信号を拒否しました。
私たちと一緒に仕事をするのに最も早く動いたのは、世界最大のフィルターメーカーである日本企業でした。 彼らはすぐにResonantに投資する契約に署名し、XBARを使用したRFフィルターの開発契約にも署名しました。 私たちはその開発プログラムに取り組んできましたが、昨年末に5番目の主要なマイルストーンを達成しました。 これは、パフォーマンス、パッケージング、および信頼性に関するすべての技術要件を満たし、その[XBARベースのRFフィルター]を商業化に移行していることを意味します。 2022年に入ると、スマートフォン市場の一部として2019G、Wi-Fi、UWBでの設計が見込まれます。[村田製作所はXNUMX年にXBARの複数年の商業契約を締結しました。]
5G要件に対応するXBAR共振器の主な特性（出典：共振）クリックすると拡大画像が表示されます。
エレクトロニクス製品：5G設計に携わるエンジニアやデザイナーのために他に何か追加したいことはありますか？
マイク・エディ： どの企業にも常に賢い人がいて、以前のすべてのテクノロジーに関連するレガシーエンジニアリング、IP、ファウンドリ、ファブリケーションがたくさんあります。 彼らはそれを5G（広い帯域幅と高周波）で機能させる方法を見つけるでしょうが、それは常に妥協点です。
XBARは、単一のフィルターで帯域幅全体をカバーできます。 私たちはすでに他の会社が何をしているのかを見ています。 彼らは帯域幅をカバーするために複数のフィルターを実行しています。 それは機能しますが、XBARの世界では、それが大きくなり、コストが高くなり、パフォーマンスが低下するため、常に競争力がなくなります。これは、周波数帯域全体。
2022年と2023年に、5Gネットワークが導入されると、その5Gエクスペリエンスを実現するには、高性能フィルターが必要になることは誰もが知っています。 現在の5GはWaveOneであり、ユーザーエクスペリエンスというよりもマーケティングエクスペリエンスです。 それは、どのキャリアが最初の全国的なネットワークを主張できるか、そしてどのキャリアが最高のパフォーマンスを主張できるかです。 現在の5Gのパフォーマンスは4Gとほぼ同じです。
新しいスペクトル帯域と新しい周波数でネットワークを展開し、ネットワークの高密度化を開始すると、700ミリ秒未満の遅延で1メガバイト/ 10ギガビット/秒の種類のレートが表示されます。 これは、実際のネットワークをまだ展開していないため、現在表示されている20〜30メガビット/秒と比較しています。
エレクトロニクス製品：RFフィルターは5Gへのパフォーマンスの障害だと思いますか？
マイク・エディ： たとえば、典型的な映画のダウンロードは、典型的な25Gまたは初期段階の4Gネットワークで現在約5分かかります。 高性能フィルタリングを備えた完全な5G実装がある場合、それは13秒または14秒のオーダーです。
5Gは、前のセルラー世代とは大きく異なります。 それはあなたの日常生活のためにそのデータ速度、コードカッティング、そしてワイヤレスの使用[ケース]を拡張しています。 データ速度と遅延の削減の組み合わせにより、新しいアプリケーションが可能になります。 これが、プライベートネットワーク、インダストリー4.0、自動運転車、リモート手術についてよく耳にする理由です。 高いデータレートと低い遅延のために想定できるまったく異なる用途のために、新しいアプリケーションを開き始めています。