Voordat mobiele operators en OEM's het potentieel van de voordelen van 5G op het gebied van datasnelheid, ultralage latentie en grotere capaciteit kunnen benutten, moeten ze verschillende uitdagingen overwinnen. Deze variëren van kostenkwesties voor infrastructuur en apparatuur tot de innovatie van ondersteunende technologieën, waaronder RF-filters en -oplossingen, sensoren, timingapparaten en halfgeleiders.
Een van die innovatiebedrijven is Resonant Inc., een leverancier van RF-filteroplossingen op basis van zijn softwareplatform voor intellectueel eigendom (IP). Het bedrijf ontwikkelde zijn XBAR RF-filter technologie, dat voldoet aan de bandbreedtevereisten voor 5G en Wi-Fi 6- en 6e-applicaties, waarbij gebruik wordt gemaakt van het bestaande softwareplatform voor eindige elementenmodellering (FEM), genaamd Infinite Synthesized Networks (ISN). Het bedrijf heeft onlangs een upgrade uitgevoerd naar het nieuwe WaveX-ontwerpplatform, geïntroduceerd in juni, dat 3D FEM-simulatiemogelijkheden biedt voor het ontwerpen van RF-filters, waarbij gebruik wordt gemaakt van een hybride multi-cloud GPU-aangedreven implementatie met groot geheugen.
WaveX omvat een reeks eigen algoritmen, softwareontwerptools en netwerksynthesetechnieken. Het stelt het Resonant-ontwerpteam in staat om oorzaken van sporen te identificeren, isolatie te optimaliseren, invoegverlies te minimaliseren, bandbreedte en middenfrequentie te beheren, wat kritische vereisten zijn voor krachtige 5G-, Wi-Fi- en Ultra-wideband (UWB) -filters.
Resonant levert ontwerpsimulaties, gebaseerd op akoestische oppervlaktegolven (SAW) en temperatuurgecompenseerde SAW (TC-SAW)-technologieën, aan haar klanten, die ze in hun fabrieken of bij een van de gieterijpartners van Resonant produceren.
elektronisch Producten sprak met Mike Eddy van Resonant, vice-president van bedrijfsontwikkeling, over RF-filters als een technologie voor 5G. Hier een fragment uit de discussie.
Elektronische producten: waar worden filters gebruikt?
Mike Eddy: Filters worden op veel verschillende apparaten gebruikt, maar met name in smartphones waar u meerdere frequentiebanden moet beheren. Een typische smartphone, zoals een iPhone 12 of 11, zal ergens in de orde van 60 tot 80 filters hebben.
Je kunt filters niet afstemmen, daarom heeft elke verschillende frequentieband in een telefoon een filter nodig. En omdat alles om bandbreedte gaat, moet je ook meerdere banden bij elkaar optellen, daarom heeft een smartphone veel antennes. Elke antenne heeft een hele nieuwe set RF-componenten nodig, wat een hele nieuwe set filters betekent. Dus, bijvoorbeeld, een iPhone 12, ik denk dat hij ongeveer vijf antennes had - één was voor Wi-Fi Bluetooth en GPS en de andere vier waren allemaal voor mobiel.
Het interessante aan 5G is dat het een nieuwe reeks frequentiebanden is die zich op een veel hogere frequentie bevinden. 3G ging voornamelijk over 1-GHz-frequenties; 4G ging over frequenties van 2 GHz, en als je naar 5G kijkt, waar je zeer, zeer snelle gegevenssnelheden en zeer, zeer korte vertragingen wilt hebben, heb je brede bandbreedtes nodig, en de frequenties onder 3 GHz zijn nu vol. Dus voor 5G, om nieuwe frequentiebanden te krijgen met een brede bandbreedte, wat hoge datasnelheden en weinig vertraging betekent, moest je boven de 3 GHz kijken. Daarom hoor je bij 5G over deze banden in 77 en 79 millimeter golf (mmWave). Ze zitten allebei boven de 3 GHz, dus n77 zit bijvoorbeeld in het bereik van 3.3 tot 4 GHz, dus het is een veel grotere bandbreedte, maar ook een veel hogere frequentie.
5G sub-6-GHz en Wi-Fi banden in de 3 GHz tot 7 GHz frequenties (Bron: Resonant) Klik voor een grotere afbeelding.
Elektronische producten: hoe verandert 5G de vereisten voor filters?
Mike Eddy: Van 3G naar 4G ging je van ongeveer 1 GHz naar 2-GHz frequentie, en de bandbreedtes gingen van 30 naar 40 MHz naar 60 naar 70 MHz. Toen je op 1 GHz, 3G zat, werd de akoestische golf van resonerende of bouwstenen van filters SAW of oppervlakte akoestische golf genoemd. Het is een heel eenvoudig apparaat met een metalen koepelstructuur bovenop een piëzo-elektrisch substraat, en het metaal beweegt fysiek om een resonantie te genereren waaruit je een filter bouwt. Dat was de perfecte piëzo-elektrische resonator voor dat soort frequentie en bandbreedte.
Als je overstapt van 3G naar 4G, dan zijn de vereisten heel anders, het is 2 GHz [frequentie] en het is nu 60 tot 70 MHz bandbreedte. SAW kon worden geduwd om aan deze nieuwe eisen te voldoen, maar het was niet optimaal.
En dus bedacht Broadcom, destijds Avago, wat de optimale structuur was voor deze nieuwe vereisten, die ze FBAR [film bulk akoestische resonator] noemden. Het is eigenlijk een metalen trommel rond een piëzo-elektrisch [substraat], dat aluminiumnitride is, en die metalen koepel trilt dan met een frequentie van ongeveer 2 GHz met de juiste bandbreedte. [Avago nam Broadcom over in 2015.]
Nu van 4G naar 5G, nogmaals, de vereisten zijn heel anders. Je hebt het over 3.5-4.5 GHz en het is niet alleen 5G. De nieuwe Wi-Fi-banden zijn op 6 GHz en ultrabreedband (UWB) die in de auto worden gebruikt voor een zeer nauwkeurige locatie in het 7 GHz-bereik. Het wordt allemaal aangedreven door het feit dat je deze brede bandbreedtes nodig hebt en er is niets beschikbaar onder de 3 GHz.
De fabrikanten die het goed deden in 4G, ze proberen de prestaties van hun bulk akoestische golf (BAW) -structuur, de FBAR, uit te breiden door materialen te doteren en extra elementen toe te voegen om te voldoen aan de nieuwe vereisten voor filters. Aangezien we een licentiebedrijf zijn en geen legacy-bagage hebben op basis van engineering, productie of gieterij, heeft Resonant gekeken wat de beste structuur of bouwsteen zou zijn voor deze nieuwe vereisten.
We hebben een zeer krachtige en nauwkeurige softwaretool en hebben honderden en duizenden verschillende soorten structuren voor deze filters gescreend en kwamen met XBAR [een type BAW akoestische resonator], waarvan we denken dat deze de juiste koppelingscoëfficiënt heeft om aan de vereisten te voldoen van 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz bandbreedte bij frequenties van 3-13 GHz, en zelfs daarbuiten. Maar onze belangrijkste focus ligt nu op het 3-8 GHz-bereik, waar het grootste deel van de markt zich momenteel bevindt.
XBAR-resonator, met dwarsdoorsnede van de basisstructuur en bulkgolf opgewekt door metalen interdigitale transducer (IDT) vingers (Bron: Resonant) Klik voor een grotere afbeelding.
Elektronicaproducten: naast nieuwe prestatie-eisen, hoe uitdagend is het om de filters steeds kleiner te maken zodat er zoveel in een smartphone passen om de verschillende frequentiebanden aan te kunnen?
Mike Eddy: Het is absoluut kritisch. Als je kijkt hoe dik een smartphone tegenwoordig is, moet je echt oppassen met de hoogte van de filters. Een typisch banddoorlaatfilter in een telefoon is ongeveer één vierkante millimeter en ongeveer 35 mm dik. Dus deze dingen zijn slechts stofdeeltjes, maar het zijn er zoveel dat ze veel ruimte innemen.
Elektronica Producten: Wat gebeurt er als u niet het juiste RF-filter voor uw toepassing selecteert? Hoe beïnvloedt het de prestaties?
Mike Eddy: Als je kijkt naar een demontage van een 5G module en de 5G-filters die nu in de vroege stadia van 5G worden gebruikt, de filters zijn erg slecht. Ze kunnen potentiële interferentie niet zo goed afwijzen en de reden dat ze nu kunnen werken is omdat er gewoon niet veel verkeer is. Als u verkeer ontvangt op deze nieuwe 5G-frequentiebanden, moet u deze potentiële interferenties afwijzen. De sleutel tot prestaties is de zogenaamde signaal-interferentie- en ruisverhouding [SINR], dus je wilt dat het signaal ver boven de ruisvloer ligt.
En hoe meer boven de ruisvloer je dat signaal hebt, hoe sneller de datasnelheid en hoe beter de gebruikerservaring. Als u de potentiële interferenties in aangrenzende frequentiebanden niet kunt afwijzen, verhoogt die interferentie de ruisvloer. Daarom wordt uw signaal-naar-ruis slechter, wat betekent dat uw gegevenssnelheid aanzienlijk verslechtert, wat uiteindelijk betekent dat u niet de gewenste videokwaliteit kunt krijgen en dat u een dramatische verslechtering van de levensduur van de batterij krijgt omdat uw batterij harder probeert te werken om om het signaal te krijgen.
Het andere deel van 5G draait helemaal om datasnelheid en vertraging. Als je veel tijd kwijt bent met heruitzenden omdat de kwaliteit van je signaal niet goed is, dan loopt je vertraging ook op. Daarom zijn filters zo belangrijk, want als je echt de ervaring wilt krijgen die 5G belooft, wil je die bandbreedte echt beschermen. Verizon betaalde meer dan $ 40 miljard voor het C-block in de VS en het laatste wat ze willen is al dat geld betalen en ontdekken dat de gebruikerservaring niet in de buurt komt van wat wordt verwacht voor 5G.
Elektronicaproducten: hoe verslechtert SINR de levensduur van de batterij?
Mike Eddy: Een natuurkundig theorema genaamd Shannon's Law [Shannon-Hartley Capacity Theorem] vertelt je wat voor soort capaciteit en datasnelheid je uit een RF-kanaal kunt halen. Het is een heel eenvoudige formule: het is bandbreedte, het aantal RF-paden in de telefoon en het aantal antennes, en de signaal-interferentie- en ruisverhouding.
Deze verschillende generaties draadloze technologie beïnvloeden die drie dingen, dus bandbreedte betekent nieuwe frequentiebanden die breder zijn en meerdere frequentiebanden samenvoegen; het gaat om het aantal RF-paden, dat is het aantal antennes, en de signaal-tot-interferentie- en ruisverhouding, wat bescherming met filters betekent en de signaalbron dichter bij de gebruiker brengt. Daarom hoor je bij 5G veel over verdichting van het netwerk en kleine cellen, want hoe dichterbij je die signaalbron brengt, hoe hoger de signaalsterkte, dus hoe groter de SINR – de signaal-tot-interferentie en ruisverhouding.
Elektronicaproducten: wat is de XBAR-technologie en hoe lost deze enkele van deze 5G-uitdagingen op?
Mike Eddy: Onze softwaretool is een eindige-elementenmodelleringstool (FEM) genaamd Infinite Synthesized Networks om complexe akoestische golffilters te ontwikkelen. Als we de materiaaleigenschappen en fysieke afmetingen kennen, kunnen we de filterprestaties nauwkeurig voorspellen. We hebben het ontwikkeld voor Surface Acoustic Wave (SAW), wat een 3G-technologie is, en TC-Saw [temperatuurgecompenseerde SAW], wat een uitbreiding is van die 3G-technologie voor 4G.
Ongeveer drie jaar geleden wilden we het uitbreiden voor bulk akoestische golf (BAW)-technologie, maar we realiseerden ons ook dat 5G eraan kwam. Toen we naar 5G keken, konden we niet zien hoe de 4G BAW-technologie zou werken voor deze nieuwe vereisten. Dus in plaats van daar tijd aan te besteden, besloten we te kijken wat de beste akoestische golftechnologie zou zijn voor de nieuwe vereisten van 5G. En toen hebben we XBAR uitgevonden. Met de kruising van onze zeer nauwkeurige software-ontwerptechnologie, geconstrueerde substraten en ons getalenteerde ontwerpteam, hebben we XBAR ontwikkeld, een BAW-technologie die heel anders is dan alles wat eerder bestond. Het komt overeen met de vereisten voor brede bandbreedte, hoge frequentie en hoog vermogen [van 5G].
Het andere deel over hoge frequentie betekent dat de signalen zich niet zo ver voortplanten als de signalen met een lagere frequentie, dus de manier om dat te omzeilen is om het vermogen te vergroten. Dat betekent dat alle componenten in de RF-keten een hoger vermogen moeten aankunnen en we ontdekten dat XBAR aan al deze nieuwe vereisten kon voldoen.
We toonden de [XBAR-gebaseerde] 5G RF-filters aan alle grote spelers in de industrie. Ze waren er erg enthousiast over, want iedereen begreep dat de eisen voor 5G aan het veranderen waren. Op Mobile World Congress 2019 toonden we een demonstratiefilter met XBAR dat alle juiste vereisten voor 5G had. Het wordt het n79-filter genoemd met een bandbreedte van 600 MHz van 4.4 tot 5 GHz, die de naburige n77- en wifi-signalen verwierp.
Het bedrijf dat het snelst met ons samenwerkte, was een Japans bedrijf – de grootste filterfabrikant ter wereld. Ze tekenden heel snel een overeenkomst om te investeren in Resonant en tekenden ook een ontwikkelingsovereenkomst voor RF-filters met behulp van XBAR. We hebben dat ontwikkelingsprogramma doorlopen en eind vorig jaar hebben we de tweede grote mijlpaal bereikt. Dit betekent dat we hebben voldaan aan alle technologische vereisten voor prestaties, verpakking en betrouwbaarheid en dat ze die [XBAR-gebaseerde RF-filters] op de markt brengen. We verwachten onze ontwerpen in 5G, Wi-Fi en UWB als onderdeel van de smartphonemarkt te zien als we 2022 ingaan. [Murata tekende in 2019 een meerjarige commerciële overeenkomst voor XBAR]
Belangrijkste kenmerken van XBAR-resonator voor 5G-vereisten (Bron: Resonant) Klik voor een grotere afbeelding.
Elektronicaproducten: is er nog iets dat u wilt toevoegen voor ingenieurs en ontwerpers die betrokken zijn bij 5G-ontwerpen?
Mike Eddy: Er zijn altijd slimme mensen in elk bedrijf en er is zoveel legacy engineering, IP, gieterijen en fabricage dat is gekoppeld aan al die eerdere technologieën. Ze zullen een manier vinden om het te laten werken voor 5G - de brede bandbreedte en hoge frequentie - maar het is altijd een compromis.
XBAR kan de volledige bandbreedte dekken met een enkel filter. We zien nu al wat de andere bedrijven doen. Ze doen meerdere filters om de bandbreedtes te dekken. Dat zal werken, maar in een XBAR-wereld zal het altijd niet-competitief zijn omdat het groter zal zijn, het zal duurder zijn en het zal lagere prestaties hebben omdat je meer verliezen hebt vergeleken met een enkel apparaat dat de gehele frequentieband.
Iedereen weet dat je in 2022 en 2023, wanneer 5G-netwerken aanwezig zijn, krachtige filters nodig hebt om die 5G-ervaring te krijgen. 5G zoals het er nu uitziet, is golf één, wat meer een marketingervaring is dan een gebruikerservaring. Het is welke vervoerder aanspraak kan maken op het eerste landelijke netwerk en welke vervoerder de beste prestatie kan claimen. De prestaties van 5G zijn op dit moment ongeveer hetzelfde als 4G.
Zodra je het netwerk hebt geïmplementeerd met nieuwe spectrumbanden en nieuwe frequenties en je begint het netwerk te verdichten, zul je 700 megabyte/1 gigabit per seconde soort snelheden zien met een vertraging van minder dan 10 milliseconden. Dit is in vergelijking met de 20-30 megabits per seconde die je nu ziet omdat we het echte netwerk nog niet hebben geïmplementeerd.
Elektronicaproducten: denkt u dat RF-filters een prestatieversperring zijn voor 5G?
Mike Eddy: Een typische filmdownload duurt nu bijvoorbeeld ongeveer 25 minuten op een typisch 4G- of een 5G-netwerk in een vroeg stadium. Als je een volledige 5G-implementatie hebt met krachtige filtering, is dit in de orde van 13 of 14 seconden.
5G is heel anders dan de vorige cellulaire generaties. Het vergroot die datasnelheid, het doorknippen van het snoer en het gebruik van draadloze [cases] voor uw dagelijks leven. De combinatie van datasnelheid en verminderde vertraging maakt nieuwe toepassingen mogelijk. Daarom hoor je veel over privénetwerken, Industrie 4.0, zelfrijdende auto's en operaties op afstand. Het begint nieuwe toepassingen te openen vanwege de totaal verschillende toepassingen die kunnen worden overwogen voor hoge datasnelheden en weinig vertraging.