이동통신 사업자와 OEM이 데이터 속도, 초저 지연, 더 큰 용량 면에서 5G의 장점을 활용하려면 몇 가지 과제를 극복해야 합니다. 여기에는 인프라 및 장비에 대한 비용 문제부터 RF 필터 및 솔루션, 센서, 타이밍 장치 및 반도체를 비롯한 구현 기술의 혁신에 이르기까지 다양합니다.
이러한 혁신 회사 중 하나는 지적 재산(IP) 소프트웨어 플랫폼을 기반으로 하는 RF 필터 솔루션 제공업체인 Resonant Inc.입니다. 회사는 XBAR RF 필터를 개발했습니다. technology5G의 대역폭 요구 사항을 충족합니다. Wi-Fi 인터넷 ISN(Infinite Syntheised Networks)이라는 레거시 유한 요소 모델링(FEM) 소프트웨어 플랫폼을 사용하는 6 및 6e 애플리케이션입니다. 이 회사는 최근 3월에 출시된 새로운 WaveX 설계 플랫폼으로 업그레이드했습니다. 이 플랫폼은 하이브리드 멀티 클라우드, 대용량 메모리 GPU 기반 구현을 활용하여 RF 필터를 설계하는 XNUMXD FEM 시뮬레이션 기능을 제공합니다.
WaveX는 일련의 독점 알고리즘, 소프트웨어 설계 도구 및 네트워크 합성 기술을 포함합니다. 이를 통해 Resonant 설계 팀은 고성능 5G, Wi-Fi 및 UWB(초광대역) 필터의 중요한 요구 사항인 스퍼의 원인을 식별하고, 격리를 최적화하고, 삽입 손실을 최소화하고, 대역폭 및 중심 주파수를 관리할 수 있습니다.
Resonant는 표면 탄성파(SAW) 및 온도 보상 SAW(TC-SAW) 기술을 기반으로 하는 설계 시뮬레이션을 팹 또는 Resonant의 파운드리 파트너 중 한 곳에서 제조하는 고객에게 제공합니다.
전자 제품 Resonant의 Mike Eddy 기업 개발 부사장과 5G를 위한 기술로서의 RF 필터에 대해 이야기했습니다. 다음은 토론에서 발췌한 내용입니다.
전자 제품: 필터는 어디에 사용됩니까?
마이크 에디 : 필터는 다양한 장치에서 사용되지만 특히 여러 주파수 대역을 관리해야 하는 스마트폰에서 사용됩니다. iPhone 12 또는 11과 같은 일반적인 스마트폰에는 60~80개 정도의 필터가 있습니다.
필터를 조정할 수 없으므로 전화기의 모든 다른 주파수 대역에는 필터가 필요합니다. 그리고 모든 것이 대역폭에 관한 것이기 때문에 여러 대역을 집계해야 하기 때문에 스마트폰에는 많은 안테나가 있습니다. 각 안테나는 완전히 새로운 필터 세트를 의미하는 완전히 새로운 RF 구성 요소 세트를 필요로 합니다. 예를 들어 iPhone 12에는 XNUMX개의 안테나가 있었던 것 같습니다. 하나는 Wi-Fi Bluetooth 및 GPS용이고 나머지 XNUMX개는 모두 셀룰러용입니다.
5G의 흥미로운 측면은 훨씬 더 높은 주파수에 있는 새로운 주파수 대역 세트라는 것입니다. 3G는 주로 1GHz 주파수에 관한 것이었습니다. 4G는 약 2GHz 주파수였으며, 매우 빠른 데이터 속도와 매우 짧은 지연을 원하는 5G를 볼 때 넓은 대역폭이 필요하고 3GHz 미만의 주파수는 이제 가득 찼습니다. 따라서 5G의 경우 대역폭이 넓은 새로운 주파수 대역, 즉 높은 데이터 속도와 낮은 지연을 얻으려면 3GHz 이상을 봐야 했습니다. 그렇기 때문에 5G에서는 77 및 79밀리미터파(mmWave) 대역에 대해 듣게 됩니다. 둘 다 3GHz 이상이므로 예를 들어 n77은 3.3~4GHz 범위에 있으므로 대역폭은 훨씬 넓지만 주파수는 훨씬 높습니다.
5GHz ~ 6GHz 주파수의 3G sub-7-GHz 및 Wi-Fi 대역(출처: Resonant) 큰 이미지를 보려면 클릭하세요.
전자 제품: 5G는 필터 요구 사항을 어떻게 변경합니까?
마이크 에디 : 3G에서 4G로 주파수는 약 1GHz에서 2GHz로, 대역폭은 30MHz에서 40MHz, 60MHz에서 70MHz로 바뀌었습니다. 1GHz, 3G에 있을 때 공진 또는 필터의 빌딩 블록의 음향파를 SAW 또는 표면 탄성파라고 했습니다. 압전 기판 위에 금속 돔 구조가 있는 매우 간단한 장치이며 금속이 물리적으로 움직여 필터를 만드는 공진을 생성합니다. 그것은 그런 종류의 주파수와 대역폭을 위한 완벽한 압전 공진기였습니다.
3G에서 4G로 이동할 때 요구 사항은 매우 다릅니다. 2GHz[주파수]이고 이제 60~70MHz 대역폭입니다. SAW는 이러한 새로운 요구 사항을 충족하기 위해 추진될 수 있지만 최적은 아닙니다.
그래서 당시 Avago의 Broadcom은 FBAR[필름 벌크 음향 공진기]라고 하는 이러한 새로운 요구 사항에 가장 적합한 구조를 생각해 냈습니다. 그것은 기본적으로 질화알루미늄인 압전 [기판] 주위의 금속 드럼이며, 그 금속 돔은 적절한 종류의 대역폭으로 약 2GHz의 주파수에서 진동합니다. [아바고는 2015년 브로드컴을 인수했습니다.]
이제 4G에서 5G로 넘어가면서 요구 사항이 매우 다릅니다. 3.5-4.5GHz에 대해 이야기하고 있으며 5G만이 아닙니다. 새로운 Wi-Fi 대역은 6GHz이고 매우 정확한 위치를 파악하기 위해 차량에 사용되는 UWB(Ultra-Wideband)는 7GHz 범위입니다. 이는 모두 이러한 넓은 대역폭이 필요하고 3GHz 미만에서는 사용할 수 없다는 사실에 기인합니다.
4G에서 잘 만든 제조업체들은 필터에 대한 새로운 요구 사항을 충족하기 위해 재료 도핑을 수행하고 추가 요소를 추가하여 BAW(대량 음향파) 구조인 FBAR의 성능을 확장하려고 합니다. 우리는 라이선스 회사이고 엔지니어링, 제조 또는 파운드리를 기반으로 한 레거시 수하물이 없기 때문에 Resonant는 이러한 새로운 요구 사항에 가장 적합한 구조 또는 빌딩 블록이 무엇인지 살펴보았습니다.
우리는 매우 강력하고 정확한 소프트웨어 도구를 가지고 있으며 이러한 필터에 대해 수백 수천 가지의 구조를 선별하고 요구 사항을 충족하기 위해 올바른 결합 계수를 가지고 있다고 생각하는 XBAR[BAW 음향 공진기 유형]을 제안했습니다. 600-900GHz의 주파수에서 1200MHz, 3MHz, 13MHz 대역폭 및 그 이상. 그러나 현재 우리의 주요 초점은 현재 대부분의 시장이 있는 3-8GHz 범위에 있습니다.
금속 IDT(Interdigital Transducer) 핑거에 의해 여기된 벌크파와 기본 구조의 단면을 보여주는 XBAR 공진기(출처: Resonant) 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요.
전자 제품: 새로운 성능 요구 사항 외에도 다양한 주파수 대역을 처리하기 위해 스마트폰에 필터를 많이 장착하기 위해 필터 크기를 계속 줄이는 것이 얼마나 어려운 일입니까?
마이크 에디 : 절대적으로 중요합니다. 요즘 스마트폰의 두께를 보면 필터의 높이를 정말 조심해야 합니다. 전화기의 일반적인 대역통과 필터는 약 35mm 정사각형 x 약 XNUMXmm 두께입니다. 그래서 이것들은 단지 먼지의 스펙일 뿐이지만 그것들이 너무 많아서 많은 면적을 차지합니다.
전자 제품: 애플리케이션에 적합한 RF 필터를 선택하지 않으면 어떻게 됩니까? 성능에 어떤 영향을 미칩니까?
마이크 에디 : 5G 분해를 보면 모듈 그리고 현재 5G 초기 단계에 사용되는 5G 필터는 필터 상태가 매우 열악합니다. 그들은 잠재적인 간섭을 잘 거부하지 못하고 지금 당장 작동할 수 있는 이유는 트래픽이 많지 않기 때문입니다. 이러한 새로운 5G 주파수 대역에서 트래픽이 발생하면 잠재적인 간섭 요인을 거부해야 합니다. 성능의 핵심은 신호 대 간섭 및 잡음 비율(SINR)이므로 잡음 플로어보다 높은 신호를 원합니다.
그리고 노이즈 플로어보다 높을수록 해당 신호가 있을수록 데이터 속도가 빨라지고 사용자 경험이 향상됩니다. 인접 주파수 대역에서 잠재적인 간섭 요인을 거부할 수 없는 경우 해당 간섭으로 인해 노이즈 플로어가 높아집니다. 따라서 신호 대 잡음비가 악화되어 데이터 속도가 크게 저하되어 궁극적으로 원하는 비디오 품질을 얻을 수 없으며 배터리가 순서대로 더 열심히 작동하려고 하기 때문에 배터리 수명이 급격히 저하됩니다. 신호를 받기 위해.
5G의 다른 부분은 모두 데이터 속도와 지연에 관한 것입니다. 신호 품질이 좋지 않아 재전송하는 데 많은 시간을 할애하면 지연도 늘어납니다. 필터가 중요한 이유는 5G가 약속하는 경험을 진정으로 얻고 싶다면 해당 대역폭을 보호해야 하기 때문입니다. Verizon은 미국에서 C-block에 대해 40억 달러 이상을 지불했으며 그들이 마지막으로 하고 싶은 일은 그 모든 돈을 지불하고 사용자 경험이 5G에 대해 예상되는 것과 전혀 가깝지 않다는 것을 찾는 것입니다.
전자 제품: SINR은 배터리 수명을 어떻게 저하합니까?
마이크 에디 : Shannon의 법칙[Shannon-Hartley Capacity Theorem]이라는 물리 정리는 RF 채널에서 얻을 수 있는 용량과 데이터 속도의 종류를 알려줍니다. 이것은 매우 간단한 공식입니다. 대역폭, 전화기의 RF 경로 수, 안테나 수, 신호 대 간섭 및 잡음 비율입니다.
이러한 서로 다른 세대의 무선 기술은 이 세 가지 사항에 영향을 미치므로 대역폭은 더 넓고 여러 주파수 대역을 통합하는 새로운 주파수 대역을 의미합니다. 그것은 안테나의 수인 RF 경로의 수와 신호 대 간섭 및 노이즈 비율에 관한 것입니다. 이는 필터로 보호하고 신호 소스를 사용자에게 더 가까이 가져오는 것을 의미합니다. 그렇기 때문에 5G에서는 신호 소스를 가까이에 둘수록 신호 강도가 높을수록 신호 대 간섭 및 잡음 비율인 SINR이 커집니다.
전자 제품: XBAR 기술은 무엇이며 이러한 5G 문제 중 일부를 어떻게 해결합니까?
마이크 에디 : 우리의 소프트웨어 도구는 복잡한 음파 필터를 개발하기 위한 Infinite Synthesized Networks라는 유한 요소 모델링(FEM) 도구입니다. 재료 특성과 물리적 치수를 알면 필터 성능을 정확하게 예측할 수 있습니다. 3G 기술인 표면 탄성파(SAW)와 3G용 4G 기술의 확장인 TC-Saw[온도 보상 SAW]용으로 개발했습니다.
약 5년 전 우리는 BAW(대량 탄성파) 기술로 확장하려고 했으나 5G가 다가오고 있음을 깨달았습니다. 4G를 살펴보면서 5G BAW 기술이 이러한 새로운 요구 사항에 대해 어떻게 작동하는지 알 수 없었습니다. 그래서 우리는 그것에 시간을 들이지 않고 5G의 새로운 요구 사항에 가장 적합한 음파 기술이 무엇인지 살펴보기로 결정했습니다. 그리고 그 때 우리는 XBAR를 발명했습니다. 우리의 매우 정확한 소프트웨어 설계 기술, 엔지니어링된 기판 및 재능 있는 설계 팀의 교차로 우리는 이전에 존재했던 것과는 매우 다른 BAW 기술인 XBAR을 개발했습니다. [XNUMXG]의 넓은 대역폭, 고주파수 및 고전력 처리 요구 사항을 충족합니다.
고주파에 대한 다른 부분은 신호가 더 낮은 주파수 신호까지 전파되지 않는다는 것을 의미하므로 이를 우회하는 방법은 전력을 높이는 것입니다. 즉, RF 체인의 모든 구성 요소가 더 높은 전력을 처리할 수 있어야 하며 XBAR이 이러한 모든 새로운 요구 사항을 충족할 수 있음을 발견했습니다.
우리는 업계의 모든 주요 플레이어에게 [XBAR 기반] 5G RF 필터를 보여주었습니다. 모두가 5G에 대한 요구 사항이 변경되고 있다는 것을 이해했기 때문에 매우 흥분했습니다. Mobile World Congress 2019에서 우리는 5G에 대한 모든 요구 사항을 갖춘 XBAR을 사용하는 데모 필터를 선보였습니다. 79 ~ 600GHz의 4.4MHz 대역폭을 가진 n5 필터라고 하며 인접 n77 및 Wi-Fi 신호를 거부합니다.
가장 빨리 우리와 함께 일하게 된 회사는 세계에서 가장 큰 필터 제조업체인 일본 회사였습니다. 그들은 매우 빠르게 Resonant에 투자하는 계약을 체결했으며 XBAR을 사용하는 RF 필터에 대한 개발 계약도 체결했습니다. 우리는 그 개발 프로그램을 진행해 왔으며 작년 말에 두 번째 주요 이정표를 달성했습니다. 이는 성능, 패키징 및 안정성에 대한 모든 기술 요구 사항을 충족했으며 [XBAR 기반 RF 필터]를 상용화로 옮기고 있음을 의미합니다. 우리는 5년에 들어서면서 스마트폰 시장의 일부로 2022G, Wi-Fi 및 UWB에서 디자인을 볼 수 있을 것으로 기대합니다. [Murata는 2019년 XBAR에 대한 다년 상업 계약에 서명했습니다.]
5G 요구 사항을 해결하는 XBAR 공진기의 주요 특성(출처: Resonant) 큰 이미지를 보려면 클릭하십시오.
전자 제품: 5G 설계에 관련된 엔지니어와 디자이너에게 추가하고 싶은 것이 있습니까?
마이크 에디 : 모든 회사에는 항상 똑똑한 사람들이 있으며 이전 기술과 관련된 레거시 엔지니어링, IP, 파운드리 및 제조가 너무 많습니다. 그들은 5G(광대역폭 및 고주파수)에서 작동하도록 하는 방법을 찾을 것이지만 항상 타협입니다.
XBAR은 단일 필터로 전체 대역폭을 커버할 수 있습니다. 우리는 이미 다른 회사들이 하고 있는 것을 보고 있습니다. 그들은 대역폭을 커버하기 위해 여러 필터를 수행하고 있습니다. 그것은 효과가 있지만 XBAR 세계에서는 항상 비경쟁적일 것입니다. 왜냐하면 그것은 더 커질 것이고 더 많은 비용이 들 것이고 더 많은 손실이 있기 때문에 더 낮은 성능을 가질 것입니다. 전체 주파수 대역.
2022년과 2023년에 5G 네트워크가 구축되면 5G 경험을 얻기 위해 고성능 필터가 필요하다는 것을 모두 알고 있습니다. 현재의 5G는 사용자 경험보다 마케팅 경험에 가까운 웨이브 5입니다. 어떤 통신사가 최초의 전국망을 주장할 수 있고 어떤 통신사가 최고의 성능을 주장할 수 있는지입니다. 현재 4G의 성능은 XNUMXG와 거의 같습니다.
새로운 스펙트럼 대역과 새로운 주파수로 네트워크를 배치하고 네트워크를 조밀화하기 시작하면 700밀리초 미만의 지연으로 초당 1메가바이트/10기가비트 종류의 속도를 볼 수 있습니다. 이것은 실제 네트워크를 아직 배포하지 않았기 때문에 지금 보고 있는 초당 20-30메가비트와 비교됩니다.
전자 제품: RF 필터가 5G의 성능 장애물이라고 생각하십니까?
마이크 에디 : 예를 들어, 일반적인 영화 다운로드는 현재 일반적인 25G 또는 초기 단계의 4G 네트워크에서 약 5분이 걸립니다. 고성능 필터링이 포함된 완전한 5G 구현이 있는 경우 13초 또는 14초 정도입니다.
5G는 이전 셀룰러 세대와 매우 다릅니다. 그 데이터 속도, 코드 커팅, 무선의 사용을 일상생활로 확장하는 것입니다. 데이터 속도와 지연 감소의 조합으로 새로운 애플리케이션이 가능합니다. 이것이 바로 사설망, 인더스트리 4.0, 자율주행차, 원격 수술에 대해 많이 듣는 이유입니다. 높은 데이터 속도와 낮은 지연을 예상할 수 있는 완전히 다른 용도로 인해 새로운 애플리케이션을 열기 시작했습니다.