Sebelum pengendali mudah alih dan OEM dapat memanfaatkan potensi kelebihan 5G dalam kelajuan data, latensi ultra rendah, dan kapasiti yang lebih besar, mereka perlu mengatasi beberapa cabaran. Ini berkisar dari masalah biaya untuk infrastruktur dan peralatan hingga inovasi teknologi yang memungkinkan, termasuk penyaring dan penyelesaian RF, sensor, alat pemasa, dan semikonduktor.
Salah satu syarikat inovasi tersebut ialah Resonant Inc., penyedia penyelesaian penapis RF berdasarkan platform perisian harta intelek (IP). Syarikat itu membangunkan penapis XBAR RFnya teknologi, yang memenuhi keperluan lebar jalur untuk 5G dan Wi-Fi 6 dan 6e, menggunakan platform perisian pemodelan elemen terhingga (FEM) warisannya, yang dipanggil Infinite Synthesized Networks (ISN). Syarikat itu baru-baru ini telah menaik taraf kepada platform reka bentuk WaveX baharu, yang diperkenalkan pada bulan Jun, yang menawarkan keupayaan simulasi FEM 3D untuk mereka bentuk penapis RF, memanfaatkan pelaksanaan dikuasakan GPU berbilang awan dan memori besar hibrid.
WaveX merangkumi sekumpulan algoritma proprietari, alat reka bentuk perisian, dan teknik sintesis rangkaian. Ini membolehkan pasukan rekaan Resonan mengenal pasti penyebab spurs, mengoptimumkan pengasingan, meminimumkan kehilangan penyisipan, menguruskan lebar jalur, dan frekuensi tengah, yang merupakan syarat penting untuk penapis 5G, Wi-Fi, dan Ultra-lebar jalur (UWB) berprestasi tinggi.
Resonant menyediakan simulasi reka bentuk, berdasarkan gelombang gelombang akustik permukaan (SAW) dan teknologi SAW (TC-SAW) yang dikompensasi suhu, kepada pelanggan yang mereka hasilkan di fabs mereka atau di salah satu rakan pengecas Resonant.
Elektronik Produk bercakap dengan Resonant, Mike Eddy, naib presiden pembangunan korporat, mengenai penapis RF sebagai teknologi yang membolehkan 5G. Berikut adalah petikan perbincangan.
Produk Elektronik: Di mana penapis digunakan?
Mike Eddy: Penapis digunakan di banyak peranti yang berbeza tetapi khususnya di telefon pintar di mana anda perlu menguruskan jalur frekuensi berganda. Telefon pintar biasa, seperti iPhone 12 atau 11, akan mempunyai tempat dalam urutan 60 hingga 80 penapis.
Anda tidak dapat menyesuaikan penapis, oleh itu, setiap jalur frekuensi yang berbeza dalam telefon memerlukan penapis. Dan kerana semuanya berkaitan dengan lebar jalur, anda juga perlu mengumpulkan banyak jalur, jadi itulah sebabnya telefon pintar mempunyai banyak antena. Setiap antena memerlukan satu set komponen RF yang baru yang bermaksud satu set penapis baru. Oleh itu, sebagai contoh, iPhone 12, saya rasa mempunyai lima seperti antena - satu untuk Bluetooth dan GPS Wi-Fi dan empat yang lain semuanya untuk selular.
Aspek yang menarik dari 5G ialah ia adalah kumpulan jalur frekuensi baru yang berada pada frekuensi yang jauh lebih tinggi. 3G terutamanya mengenai frekuensi 1-GHz; 4G adalah frekuensi sekitar 2-GHz, dan ketika anda melihat 5G di mana anda ingin mempunyai kadar data yang sangat cepat dan kelewatan yang sangat singkat, anda memerlukan lebar jalur lebar, dan frekuensi di bawah 3 GHz kini penuh. Jadi untuk 5G untuk mendapatkan jalur frekuensi baru yang lebar lebarnya, yang bermaksud kadar data yang tinggi dan kelewatan yang rendah, anda perlu melihat di atas 3 GHz. Itulah sebabnya dengan 5G anda mendengar tentang jalur ini dalam gelombang 77 dan 79 milimeter (mmWave). Keduanya berada di atas 3 GHz, jadi misalnya n77 berada dalam julat 3.3 hingga 4-GHz, jadi lebar jalur yang lebih luas tetapi sekali lagi frekuensi yang lebih tinggi.
Jalur 5G sub-6-GHz dan Wi-Fi dalam frekuensi 3 GHz hingga 7 GHz (Sumber: Resonant) Klik untuk gambar yang lebih besar.
Produk Elektronik: Bagaimana 5G mengubah keperluan penapis?
Mike Eddy: Dari 3G hingga 4G, anda bergerak dari frekuensi sekitar 1-GHz hingga 2-GHz, dan lebar jalur dari 30 hingga 40 MHz hingga 60 hingga 70 MHz. Ketika anda berada pada 1 GHz, 3G, gelombang akustik penyaring atau blok bangunan penapis disebut SAW atau gelombang akustik permukaan. Ini adalah alat yang sangat sederhana dengan struktur kubah logam di atas substrat piezoelektrik, dan logam bergerak secara fizikal untuk menghasilkan resonans dari mana anda membina penapis. Itu adalah resonator piezoelektrik yang sempurna untuk jenis frekuensi dan lebar jalur.
Apabila anda beralih dari 3G ke 4G maka keperluannya sangat berbeza, ia adalah 2 GHz [frekuensi] dan kini lebar jalur 60 hingga 70-MHz. SAW dapat didorong untuk memenuhi syarat baru ini tetapi tidak optimum.
Oleh itu Broadcom, Avago pada masa itu, menghasilkan struktur yang paling optimum untuk keperluan baru ini, yang mereka sebut FBAR [resonator akustik pukal filem]. Ini pada dasarnya adalah gendang logam di sekitar [substrat] piezoelektrik, yang merupakan aluminium nitrida, dan kubah logam itu kemudian bergetar pada frekuensi sekitar 2 GHz dengan jenis lebar jalur yang tepat. [Avago memperoleh Broadcom pada tahun 2015.]
Sekarang dari 4G ke 5G, sekali lagi, keperluannya sangat berbeza. Anda bercakap mengenai 3.5-4.5 GHz dan bukan hanya 5G. Jalur Wi-Fi baru berada pada 6-GHz dan jalur ultra-lebar (UWB) yang digunakan di dalam kereta untuk lokasi yang sangat tepat berada dalam julat 7-GHz. Semuanya didorong oleh fakta bahawa anda memerlukan lebar jalur lebar ini dan tidak ada yang tersedia di bawah 3 GHz.
Pengilang yang berjaya dalam 4G, mereka berusaha untuk meningkatkan prestasi struktur gelombang akustik pukal (BAW), FBAR, dengan melakukan doping bahan dan menambahkan elemen tambahan untuk memenuhi syarat baru untuk penapis. Oleh kerana kami adalah syarikat pelesenan dan tidak mempunyai bagasi warisan berdasarkan kejuruteraan, pembuatan, atau pengecoran, apa yang dilakukan oleh Resonant adalah melihat struktur atau blok bangunan terbaik untuk keperluan baru ini.
Kami mempunyai alat perisian yang sangat kuat dan tepat dan menyaring beratus-ratus dan ribuan jenis struktur untuk penapis ini dan hadir dengan XBAR [sejenis resonator akustik BAW], yang kami percaya mempunyai pekali gandingan yang tepat untuk memenuhi keperluan lebar jalur 600-MHz, 900-MHz, 1200-MHz pada frekuensi dari 3-13 GHz, dan bahkan melebihi itu. Tetapi fokus utama kami sekarang adalah dalam julat 3-8 GHz, di mana kebanyakan pasaran berada sekarang.
Resonator XBAR, menunjukkan keratan rentas struktur asas dan gelombang pukal yang teruja oleh jari transduser interdigital logam (IDT) (Sumber: Resonant) Klik untuk gambar yang lebih besar.
Produk Elektronik: Sebagai tambahan kepada keperluan prestasi baru, betapa mencabarnya untuk terus mengecilkan ukuran penapis agar dapat memuatkan sebilangan besar di dalam telefon pintar untuk menangani jalur frekuensi yang berbeza?
Mike Eddy: Ini sangat kritikal. Apabila anda melihat betapa tebalnya telefon pintar pada masa ini, anda harus berhati-hati dengan ketinggian penapis. Penapis jalur lebar khas pada telefon berukuran kira-kira satu milimeter persegi dengan ketebalan sekitar 35 mm. Jadi barang-barang ini hanyalah spesifikasi debu tetapi terdapat banyak dari mereka sehingga memakan banyak kawasan.
Produk Elektronik: Apa yang berlaku jika anda tidak memilih penapis RF yang tepat untuk aplikasi anda? Bagaimana ia mempengaruhi prestasi?
Mike Eddy: Jika anda melihat kejatuhan 5G modul dan penapis 5G yang sedang digunakan sekarang pada peringkat awal 5G, penapisnya sangat lemah. Mereka tidak menolak kemungkinan gangguan dengan baik dan sebab mereka boleh bekerja sekarang adalah kerana trafik tidak begitu banyak. Apabila anda mendapat trafik pada jalur frekuensi 5G baharu ini, anda perlu menolak kemungkinan pengganggu ini. Kunci kepada prestasi ialah apa yang dipanggil nisbah isyarat kepada gangguan dan hingar [SINR], jadi anda mahukan laluan isyarat di atas lantai hingar.
Dan semakin tinggi di atas tingkat kebisingan anda mempunyai isyarat itu maka semakin cepat laju data dan semakin baik pengalaman pengguna. Sekiranya anda tidak dapat menolak kemungkinan gangguan pada jalur frekuensi yang berdekatan, maka gangguan tersebut akan meningkatkan kebisingan. Oleh itu signal-to-noise anda menjadi semakin teruk yang bermaksud kadar data anda semakin menurun, yang akhirnya bermaksud anda tidak dapat memperoleh kualiti video yang anda mahukan dan anda mengalami penurunan jangka hayat bateri yang dramatik kerana bateri anda berusaha untuk bekerja lebih keras untuk mendapatkan isyarat.
Bahagian lain dari 5G adalah mengenai kadar dan kelewatan data. Sekiranya anda menghabiskan banyak masa penghantaran semula kerana kualiti isyarat anda tidak baik, maka kelewatan anda juga meningkat. Oleh itu, penapis sangat penting kerana jika anda benar-benar ingin mendapatkan pengalaman yang dijanjikan oleh 5G, anda benar-benar mahu melindungi lebar jalur itu. Verizon membayar lebih dari $ 40 bilion untuk blok-C di AS dan perkara terakhir yang mereka mahu lakukan adalah membayar semua wang itu dan mendapati pengalaman pengguna tidak jauh dari apa yang diharapkan untuk 5G.
Produk Elektronik: Bagaimana SINR menurunkan jangka hayat bateri?
Mike Eddy: Teorema fizik yang disebut Undang-Undang Shannon [Teorema Kapasiti Shannon-Hartley] memberitahu anda jenis kapasiti dan kadar data yang anda dapat keluar dari saluran RF. Ini adalah formula yang sangat mudah: ia adalah lebar jalur, bilangan jalur RF di telefon dan jumlah antena, dan nisbah isyarat-ke-gangguan dan kebisingan.
Generasi teknologi tanpa wayar yang berlainan ini mempengaruhi ketiga-tiga perkara itu, jadi lebar jalur bermaksud jalur frekuensi baru yang lebih luas dan mengumpul jalur frekuensi berganda; ini mengenai bilangan jalur RF yang merupakan jumlah antena, dan nisbah isyarat-ke-gangguan dan kebisingan, yang bermaksud perlindungan dengan penapis dan mendekatkan sumber isyarat kepada pengguna. Itulah sebabnya dengan 5G anda banyak mendengar mengenai kepadatan rangkaian dan sel kecil kerana semakin dekat anda membawa sumber isyarat itu, semakin tinggi kekuatan isyarat, maka semakin tinggi SINR - nisbah isyarat-ke-gangguan dan kebisingan.
Produk Elektronik: Apakah teknologi XBAR dan bagaimana ia menyelesaikan beberapa cabaran 5G ini?
Mike Eddy: Alat perisian kami adalah alat pemodelan elemen hingga (FEM) yang disebut Infinite Synthesized Networks untuk mengembangkan penapis gelombang akustik yang kompleks. Sekiranya kita mengetahui sifat bahan dan dimensi fizikal maka kita dapat meramalkan prestasi saringan dengan tepat. Kami mengembangkannya untuk gelombang akustik permukaan (SAW), yang merupakan teknologi 3G, dan TC-Saw [SAW dikompensasi suhu], yang merupakan lanjutan dari teknologi 3G untuk 4G.
Kira-kira tiga tahun yang lalu, kami ingin memperluasnya untuk teknologi gelombang akustik pukal (BAW) tetapi kami juga menyedari bahawa 5G akan datang. Semasa kami melihat 5G, kami tidak dapat melihat bagaimana teknologi 4G BAW berfungsi untuk keperluan baru ini. Oleh itu, daripada menghabiskan masa untuk itu, kami memutuskan untuk melihat teknologi gelombang akustik terbaik untuk keperluan baru 5G. Dan ketika itulah kami mencipta XBAR. Dengan persimpangan teknologi reka bentuk perisian kami yang sangat tepat, substrat rekayasa, dan pasukan reka bentuk berbakat kami, kami mengembangkan XBAR, yang merupakan teknologi BAW yang sangat berbeza dari apa yang ada sebelumnya. Ia sesuai dengan lebar jalur lebar, frekuensi tinggi, dan keperluan pengendalian kuasa tinggi [5G].
Bahagian lain mengenai frekuensi tinggi bermaksud isyarat tidak menyebarkan sejauh isyarat frekuensi rendah, jadi cara untuk mengelak adalah dengan meningkatkan daya. Ini bermaksud semua komponen dalam rantai RF perlu dapat mengendalikan kuasa yang lebih tinggi dan kami mendapati bahawa XBAR dapat memenuhi semua syarat baru ini.
Kami menunjukkan penapis RF 5G [berasaskan XBAR] kepada semua pemain utama dalam industri ini. Mereka sangat gembira kerana semua orang memahami bahawa keperluan berubah untuk 5G. Pada Mobile World Congress 2019, kami menunjukkan saringan demonstrasi menggunakan XBAR yang mempunyai semua syarat yang tepat untuk 5G. Ia dipanggil penapis n79 dengan lebar jalur 600-MHz dari 4.4 hingga 5 GHz, yang menolak isyarat n77 dan Wi-Fi yang berdekatan.
Syarikat yang bergerak paling cepat bekerja dengan kami adalah syarikat Jepun - pengeluar penapis terbesar di dunia. Mereka dengan cepat menandatangani perjanjian untuk melabur dalam Resonant dan juga menandatangani perjanjian pengembangan untuk penapis RF menggunakan XBAR. Kami telah melalui program pembangunan itu dan mencapai kejayaan kedua yang besar pada akhir tahun lalu. Ini bermakna kami telah memenuhi semua keperluan teknologi untuk prestasi, pembungkusan, dan kebolehpercayaan dan mereka memindahkan [penapis RF berasaskan XBAR] ke pengkomersialan. Kami menjangkakan untuk melihat reka bentuk kami dalam 5G, Wi-Fi, dan UWB sebagai sebahagian daripada pasaran telefon pintar ketika kami memasuki tahun 2022. [Murata menandatangani perjanjian komersial bertahun-tahun untuk XBAR pada tahun 2019.]
Ciri-ciri utama resonator XBAR yang memenuhi keperluan 5G (Sumber: Resonan) Klik untuk gambar yang lebih besar.
Produk Elektronik: Adakah perkara lain yang ingin anda tambahkan untuk jurutera dan pereka yang terlibat dalam reka bentuk 5G?
Mike Eddy: Selalu ada orang pintar di mana-mana syarikat dan terdapat banyak kejuruteraan, IP, faundri, dan fabrikasi warisan yang berkaitan dengan semua teknologi sebelumnya. Mereka akan mencari jalan untuk menjadikannya berfungsi untuk 5G - lebar jalur lebar dan frekuensi tinggi - tetapi selalu menjadi kompromi.
XBAR dapat meliputi keseluruhan lebar jalur dengan satu penapis. Kami sudah melihat apa yang dilakukan oleh syarikat lain. Mereka melakukan pelbagai penapis untuk menutup lebar jalur. Itu akan berjaya tetapi dalam dunia XBAR selalu tidak kompetitif kerana akan menjadi lebih besar, akan lebih mahal, dan akan mempunyai prestasi yang lebih rendah kerana anda mempunyai lebih banyak kerugian berbanding dengan satu peranti yang menutupi keseluruhan jalur frekuensi.
Semua orang tahu bahawa pada tahun 2022 dan 2023, ketika rangkaian 5G ada, anda memerlukan penapis berprestasi tinggi untuk mendapatkan pengalaman 5G itu. 5G seperti sekarang ini adalah gelombang satu, yang lebih merupakan pengalaman pemasaran daripada pengalaman pengguna. Syarikat penerbangan mana yang boleh menuntut rangkaian pertama di seluruh negara dan syarikat penerbangan mana yang boleh menuntut prestasi terbaik. Prestasi 5G sekarang hampir sama dengan 4G.
Sebaik sahaja anda mendapat rangkaian yang digunakan dengan jalur spektrum baru dan frekuensi baru dan anda mula memperbetulkan rangkaian apabila anda akan melihat kadar 700 megabait / 1 gigabit per saat dengan kelewatan kurang dari 10 milisaat. Ini dibandingkan dengan 20-30 megabit sesaat yang anda lihat sekarang kerana kami belum menggunakan rangkaian sebenar.
Produk Elektronik: Adakah anda fikir penapis RF adalah penghalang prestasi untuk 5G?
Mike Eddy: Sebagai contoh, muat turun filem biasa mengambil masa kira-kira 25 minit sekarang pada rangkaian 4G biasa atau rangkaian 5G peringkat awal. Sekiranya anda mempunyai pelaksanaan 5G penuh dengan penapisan berprestasi tinggi, ia berada dalam urutan 13 atau 14 saat.
5G sangat berbeza dengan generasi sel sebelumnya. Ini memperluaskan kelajuan data, pemotongan tali pusat, dan penggunaan [kotak] wayarles untuk kehidupan seharian anda. Kombinasi kelajuan data dan kelewatan berkurang membolehkan aplikasi baru. Inilah sebabnya mengapa anda banyak mendengar mengenai rangkaian peribadi, Industri 4.0, kereta autonomi, dan operasi jarak jauh. Ia mula membuka aplikasi baru kerana penggunaan yang sama sekali berbeza yang dapat dilihat untuk kadar data yang tinggi dan kelewatan yang rendah.