Antes que as operadoras móveis e OEMs possam aproveitar o potencial das vantagens do 5G em velocidade de dados, latência ultrabaixa e maior capacidade, eles precisam superar vários desafios. Isso vai desde questões de custo de infraestrutura e equipamentos até a inovação de tecnologias capacitadoras, incluindo filtros e soluções de RF, sensores, dispositivos de temporização e semicondutores.
Uma dessas empresas inovadoras é a Resonant Inc., fornecedora de soluções de filtros de RF baseadas em sua plataforma de software de propriedade intelectual (IP). A empresa desenvolveu seu filtro XBAR RF tecnologia, que atende aos requisitos de largura de banda para 5G e Wi-Fi Aplicações 6 e 6e, usando sua plataforma de software legada de modelagem de elementos finitos (FEM), chamada Redes Sintetizadas Infinitas (ISN). A empresa atualizou recentemente para a nova plataforma de design WaveX, lançada em junho, que oferece capacidade de simulação 3D FEM para projetar filtros de RF, aproveitando uma implementação híbrida multinuvem e com grande memória alimentada por GPU.
WaveX engloba um conjunto de algoritmos proprietários, ferramentas de design de software e técnicas de síntese de rede. Ele permite que a equipe de design do Resonant identifique as causas dos spurs, otimize o isolamento, minimize a perda de inserção, gerencie a largura de banda e a frequência central, que são requisitos essenciais para filtros de alto desempenho 5G, Wi-Fi e de banda ultralarga (UWB).
A Resonant fornece simulações de projeto, com base nas tecnologias de onda acústica de superfície (SAW) e SAW com compensação de temperatura (TC-SAW), para seus clientes que eles fabricam em suas fábricas ou em um dos parceiros de fundição da Resonant.
Eletrônico Produtos conversou com Mike Eddy da Resonant, vice-presidente de desenvolvimento corporativo, sobre filtros de RF como uma tecnologia habilitadora para 5G. Aqui está um trecho da discussão.
Produtos eletrônicos: onde os filtros são usados?
Mike Eddie: Os filtros são usados em muitos dispositivos diferentes, mas em particular em smartphones onde você precisa gerenciar várias bandas de frequência. Um smartphone típico, como um iPhone 12 ou 11, terá algo em torno de 60 a 80 filtros.
Você não pode sintonizar filtros, portanto, cada banda de frequência diferente em um telefone precisa de um filtro. E como tudo se trata de largura de banda, você também precisa agregar várias bandas, por isso um smartphone tem muitas antenas. Cada antena precisa de um novo conjunto de componentes RF, o que significa um novo conjunto de filtros. Então, por exemplo, um iPhone 12, acho que tinha algo como cinco antenas - uma era para Wi-Fi, Bluetooth e GPS e as outras quatro eram todas para celular.
O aspecto interessante do 5G é que ele é um novo conjunto de bandas de frequência que estão em uma frequência muito mais alta. 3G era principalmente sobre frequências de 1 GHz; 4G tinha frequências de cerca de 2 GHz, e quando você olha para 5G, onde deseja ter taxas de dados muito, muito rápidas e atrasos muito, muito curtos, você precisa de larguras de banda amplas, e as frequências abaixo de 3 GHz agora estão cheias. Portanto, para 5G, a fim de obter novas bandas de frequência com largura de banda ampla, o que significa altas taxas de dados e baixo atraso, você precisava olhar acima de 3 GHz. É por isso que com 5G você ouve sobre essas bandas em ondas de 77 e 79 milímetros (mmWave). Ambos estão acima de 3 GHz, então, por exemplo, n77 está na faixa de 3.3 a 4 GHz, então é uma largura de banda muito maior, mas novamente uma frequência muito mais alta.
Bandas 5G sub-6-GHz e Wi-Fi nas frequências de 3 GHz a 7 GHz (Fonte: Resonant) Clique para ampliar a imagem.
Produtos eletrônicos: como o 5G muda os requisitos para filtros?
Mike Eddie: De 3G para 4G, você passou da frequência de cerca de 1 GHz para 2 GHz, e as larguras de banda foram de 30 a 40 MHz para 60 a 70 MHz. Quando você estava em 1 GHz, 3G, a onda acústica de ressonância ou blocos de construção de filtros era chamada de SAW ou onda acústica de superfície. É um dispositivo muito simples com uma estrutura de domo de metal no topo de um substrato piezoelétrico, e o metal se move fisicamente para gerar uma ressonância a partir da qual você constrói um filtro. Era o ressonador piezoelétrico perfeito para esse tipo de frequência e largura de banda.
Quando você muda de 3G para 4G, os requisitos são muito diferentes, é 2 GHz [frequência] e agora tem largura de banda de 60 a 70 MHz. O SAW poderia ser empurrado para atender a esses novos requisitos, mas não era o ideal.
E então Broadcom, Avago na época, veio com a estrutura ideal para esses novos requisitos, que eles chamaram de FBAR [film bulk acoustic ressonator]. É basicamente um tambor de metal em torno de um [substrato] piezoelétrico, que é nitreto de alumínio, e essa cúpula de metal vibra a uma frequência de cerca de 2 GHz com o tipo certo de largura de banda. [A Avago adquiriu a Broadcom em 2015.]
Agora indo de 4G para 5G, novamente, os requisitos são muito diferentes. Você está falando de 3.5-4.5 GHz e não apenas 5G. As novas bandas Wi-Fi estão em 6 GHz e a banda ultralarga (UWB) usada no carro para localização muito precisa está na faixa de 7 GHz. Tudo é impulsionado pelo fato de que você precisa dessas larguras de banda largas e não há nada disponível abaixo de 3 GHz.
Os fabricantes que se deram bem em 4G estão tentando estender o desempenho de sua estrutura de onda acústica em massa (BAW), o FBAR, fazendo dopagem de materiais e adicionando elementos extras para atender aos novos requisitos para filtros. Como somos uma empresa de licenciamento e não temos bagagem herdada com base em engenharia, manufatura ou fundição, o que a Resonant fez foi ver qual seria a melhor estrutura ou bloco de construção para esses novos requisitos.
Temos uma ferramenta de software muito poderosa e precisa e analisamos centenas e milhares de diferentes tipos de estruturas para esses filtros e criamos o XBAR [um tipo de ressonador acústico BAW], que acreditamos ter o coeficiente de acoplamento correto para atender aos requisitos de largura de banda de 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz em frequências de 3-13 GHz e até além disso. Mas nosso foco principal agora está na faixa de 3-8 GHz, que é onde a maior parte do mercado está agora.
Ressonador XBAR, mostrando a seção transversal da estrutura básica e a onda volumosa excitada pelos dedos do transdutor interdigital de metal (IDT) (Fonte: Resonant) Clique para ampliar a imagem.
Produtos eletrônicos: além dos novos requisitos de desempenho, quão desafiador é continuar diminuindo o tamanho dos filtros para caber tantos deles em um smartphone para lidar com as diferentes bandas de frequência?
Mike Eddie: É absolutamente crítico. Quando você olha a espessura de um smartphone hoje em dia, você realmente precisa ter cuidado com a altura dos filtros. Um filtro passa-banda típico em um telefone tem cerca de um milímetro quadrado por cerca de 35 mm de espessura. Essas coisas são apenas especificações de poeira, mas são tantas que ocupam uma grande área.
Produtos eletrônicos: O que acontece se você não selecionar o filtro de RF correto para sua aplicação? Como isso afeta o desempenho?
Mike Eddie: Se você olhar para a desmontagem de um 5G módulo e os filtros 5G que estão sendo usados agora nos estágios iniciais do 5G, os filtros são muito ruins. Eles não rejeitam muito bem interferências potenciais e a razão pela qual podem funcionar agora é porque simplesmente não há muito tráfego. À medida que você obtém tráfego nessas novas bandas de frequência 5G, você precisa rejeitar essas possíveis interferências. A chave para o desempenho é o que é chamado de relação sinal-interferência e ruído [SINR], então você deseja o sinal bem acima do nível de ruído.
E quanto mais acima do nível de ruído você tiver esse sinal, mais rápida será a taxa de dados e melhor será a experiência do usuário. Se você não pode rejeitar os potenciais interferentes nas bandas de frequência vizinhas, essa interferência aumenta o nível de ruído. Portanto, sua relação sinal-ruído fica pior, o que significa que sua taxa de dados fica significativamente degradada, o que, em última análise, significa que você não pode obter a qualidade de vídeo que deseja e obtém uma degradação dramática da vida útil da bateria porque sua bateria está tentando trabalhar mais para funcionar para obter o sinal.
A outra parte do 5G é sobre taxa de dados e atraso. Se você está gastando muito tempo retransmitindo porque a qualidade do seu sinal não é boa, o atraso também aumenta. É por isso que os filtros são tão importantes, porque se você realmente deseja obter a experiência que o 5G promete, você realmente deseja proteger essa largura de banda. A Verizon pagou mais de US $ 40 bilhões pelo bloco C nos Estados Unidos e a última coisa que eles querem é pagar todo esse dinheiro e descobrir que a experiência do usuário não está nem perto do que é previsto para o 5G.
Produtos eletrônicos: Como o SINR diminui a vida útil da bateria?
Mike Eddie: Um teorema da física chamado Lei de Shannon [Teorema da Capacidade de Shannon-Hartley] diz que tipo de capacidade e taxa de dados você pode obter de um canal de RF. É uma fórmula muito simples: é a largura de banda, o número de caminhos de RF no telefone e o número de antenas, e a relação sinal-interferência e ruído.
Essas diferentes gerações de tecnologia sem fio estão afetando essas três coisas, então largura de banda significa novas bandas de frequência que são mais largas e agregam várias bandas de frequência; é sobre o número de caminhos de RF, que é o número de antenas, e a relação sinal-interferência e ruído, o que significa proteção com filtros e aproximar a fonte do sinal do usuário. É por isso que com 5G você ouve muito sobre densificação da rede e pequenas células, porque quanto mais perto você traz dessa fonte de sinal, maior a intensidade do sinal, portanto, maior o SINR - a relação sinal-interferência e ruído.
Produtos eletrônicos: o que é a tecnologia XBAR e como ela resolve alguns desses desafios 5G?
Mike Eddie: Nossa ferramenta de software é uma ferramenta de modelagem de elemento finito (FEM) chamada Redes Sintetizadas Infinitas para desenvolver filtros de ondas acústicas complexos. Se conhecermos as propriedades dos materiais e as dimensões físicas, podemos prever com precisão o desempenho do filtro. Nós o desenvolvemos para onda acústica de superfície (SAW), que é uma tecnologia 3G, e TC-Saw [SAW compensada por temperatura], que é uma extensão dessa tecnologia 3G para 4G.
Há cerca de três anos, estávamos procurando estendê-lo para a tecnologia de onda acústica em massa (BAW), mas também percebemos que o 5G estava chegando. Ao olharmos para o 5G, não pudemos ver como a tecnologia 4G BAW funcionaria para esses novos requisitos. Portanto, em vez de perder tempo nisso, decidimos analisar qual seria a melhor tecnologia de ondas acústicas para os novos requisitos do 5G. E foi então que inventamos o XBAR. Com a interseção de nossa tecnologia de design de software muito precisa, substratos projetados e nossa talentosa equipe de design, desenvolvemos o XBAR, que é uma tecnologia BAW muito diferente de tudo o que existia anteriormente. Ele atende aos requisitos de largura de banda ampla, alta frequência e manuseio de alta potência [de 5G].
A outra parte sobre alta frequência significa que os sinais não se propagam tanto quanto os sinais de baixa frequência, então a maneira de contornar isso é aumentar a potência. Isso significa que todos os componentes da cadeia de RF precisam ser capazes de lidar com maior potência e descobrimos que o XBAR poderia atender a todos esses novos requisitos.
Mostramos os filtros 5G RF [baseados em XBAR] para todos os principais participantes do setor. Eles ficaram muito animados com isso porque todos entenderam que os requisitos do 5G estavam mudando. No Mobile World Congress 2019, mostramos um filtro de demonstração usando XBAR que tinha todos os requisitos certos para 5G. É chamado de filtro n79 com uma largura de banda de 600 MHz de 4.4 a 5 GHz, que rejeitou os sinais vizinhos n77 e wi-fi.
A empresa que mais rapidamente passou a trabalhar conosco foi uma empresa japonesa - o maior fabricante de filtros do mundo. Eles rapidamente assinaram um acordo para investir em Resonant e também assinaram um acordo de desenvolvimento de filtros RF usando XBAR. Temos trabalhado nesse programa de desenvolvimento e atingimos o segundo grande marco no final do ano passado. Isso significa que atendemos a todos os requisitos de tecnologia para desempenho, embalagem e confiabilidade e eles estão movendo esses [filtros RF baseados em XBAR] para a comercialização. Esperamos ver nossos projetos em 5G, Wi-Fi e UWB como parte do mercado de smartphones ao entrarmos em 2022. [Murata assinou contrato comercial plurianual para XBAR em 2019.]
Principais características do ressonador XBAR atendendo aos requisitos 5G (Fonte: Resonant) Clique para ampliar a imagem.
Produtos eletrônicos: há mais alguma coisa que você gostaria de acrescentar para engenheiros e designers envolvidos em projetos 5G?
Mike Eddie: Sempre há pessoas inteligentes em qualquer empresa e há muita engenharia legada, IP, fundições e fabricação que está associada a todas as tecnologias anteriores. Eles encontrarão uma maneira de fazê-lo funcionar para 5G - largura de banda ampla e alta frequência - mas é sempre um compromisso.
O XBAR pode cobrir toda a largura de banda com um único filtro. Já estamos vendo o que as outras empresas estão fazendo. Eles estão fazendo vários filtros para cobrir as larguras de banda. Isso funcionará, mas em um mundo XBAR sempre será não competitivo porque será maior, será mais caro e terá desempenho inferior porque você terá mais perdas em comparação com um único dispositivo que cobre o banda de frequência inteira.
Todo mundo sabe que em 2022 e 2023, quando as redes 5G estiverem instaladas, você precisará de filtros de alto desempenho para obter essa experiência 5G. O 5G como está agora é a primeira onda, que é mais uma experiência de marketing do que uma experiência de usuário. É qual operadora pode reivindicar a primeira rede nacional e qual operadora pode reivindicar o melhor desempenho. O desempenho do 5G agora é quase o mesmo do 4G.
Depois de implementar a rede com novas bandas de espectro e novas frequências e começar a densificar a rede, você verá taxas do tipo 700 megabyte / 1 gigabit por segundo com um atraso de menos de 10 milissegundos. Isso é em comparação com os 20-30 megabits por segundo que você vê agora, porque ainda não implantamos a rede real.
Produtos eletrônicos: você acha que os filtros RF são um obstáculo ao desempenho do 5G?
Mike Eddie: Por exemplo, um download de filme típico leva cerca de 25 minutos agora em uma rede 4G típica ou 5G em estágio inicial. Se você tiver uma implementação 5G completa com filtragem de alto desempenho, é da ordem de 13 ou 14 segundos.
5G é muito diferente das gerações celulares anteriores. É estender a velocidade dos dados, o corte do cabo e o uso [casos] de wireless para sua vida cotidiana. A combinação de velocidade de dados e atraso reduzido permite novos aplicativos. É por isso que você ouve muito sobre redes privadas, Indústria 4.0, carros autônomos e cirurgias remotas. Está começando a abrir novos aplicativos por causa dos usos totalmente diferentes que podem ser previstos para altas taxas de dados e baixo atraso.