Прежде чем операторы мобильной связи и OEM-производители смогут использовать преимущества 5G в скорости передачи данных, сверхнизкой задержке и большей емкости, им необходимо решить несколько проблем. Они варьируются от вопросов стоимости инфраструктуры и оборудования до инновационных технологий, включая ВЧ-фильтры и решения, датчики, устройства синхронизации и полупроводники.
Одной из таких инновационных компаний является Resonant Inc., поставщик решений радиочастотных фильтров на основе своей программной платформы интеллектуальной собственности (IP). Компания разработала RF-фильтр XBAR. technology, который соответствует требованиям к пропускной способности для 5G и Wi-Fi 6 и 6e, используя свою устаревшую программную платформу для моделирования методом конечных элементов (FEM), называемую Infinite Synthesized Networks (ISN). Недавно компания перешла на новую платформу проектирования WaveX, представленную в июне, которая предлагает возможности трехмерного FEM-моделирования для проектирования радиочастотных фильтров с использованием гибридной мультиоблачной реализации на базе графического процессора с большим объемом памяти.
WaveX включает в себя набор запатентованных алгоритмов, инструментов разработки программного обеспечения и методов сетевого синтеза. Это позволяет команде разработчиков Resonant определять причины появления паразитов, оптимизировать изоляцию, минимизировать вносимые потери, управлять полосой пропускания и центральной частотой, которые являются критическими требованиями для высокопроизводительных фильтров 5G, Wi-Fi и сверхширокополосных (UWB) фильтров.
Resonant предоставляет своим клиентам моделирование конструкции, основанное на технологиях поверхностной акустической волны (SAW) и технологии SAW с температурной компенсацией (TC-SAW), которые они производят на своих заводах или у одного из литейных партнеров Resonant.
Электронный Продукция поговорил с Майком Эдди из Resonant, вице-президентом по корпоративному развитию, о ВЧ-фильтрах как технологии, обеспечивающей 5G. Вот отрывок из обсуждения.
Электронные продукты: где используются фильтры?
Майк Эдди: Фильтры используются во многих различных устройствах, но, в частности, в смартфонах, где вам нужно управлять несколькими полосами частот. Типичный смартфон, такой как iPhone 12 или 11, будет иметь от 60 до 80 фильтров.
Вы не можете настраивать фильтры, поэтому для каждой полосы частот в телефоне нужен фильтр. И поскольку все зависит от пропускной способности, вам также необходимо объединить несколько диапазонов, поэтому у смартфона много антенн. Каждой антенне нужен совершенно новый набор радиочастотных компонентов, что означает совершенно новый набор фильтров. Так, например, у iPhone 12, я думаю, было что-то вроде пяти антенн - одна была для Wi-Fi, Bluetooth и GPS, а остальные четыре - для сотовой связи.
Интересный аспект 5G заключается в том, что это новый набор частотных диапазонов, которые имеют гораздо более высокую частоту. 3G был в основном на частотах 1 ГГц; 4G имел частоты около 2 ГГц, и если вы посмотрите на 5G, где вы хотите иметь очень, очень высокие скорости передачи данных и очень, очень короткие задержки, вам потребуется широкая полоса пропускания, а частоты ниже 3 ГГц теперь заполнены. Итак, для 5G, чтобы получить новые полосы частот с широкой полосой пропускания, что означает высокую скорость передачи данных и низкую задержку, вам нужно было смотреть выше 3 ГГц. Вот почему с 5G вы слышите об этих диапазонах в 77 и 79 миллиметровых волнах (mmWave). Оба они выше 3 ГГц, так что, например, n77 находится в диапазоне от 3.3 до 4 ГГц, так что это гораздо более широкая полоса пропускания, но опять же гораздо более высокая частота.
Диапазон частот 5G до 6 ГГц и Wi-Fi в диапазоне от 3 до 7 ГГц (Источник: резонансный) Щелкните, чтобы увеличить изображение.
Электронные продукты: как 5G меняет требования к фильтрам?
Майк Эдди: При переходе от 3G к 4G вы перешли с 1 ГГц на 2 ГГц, а полоса пропускания увеличилась с 30-40 МГц до 60-70 МГц. Когда вы работали на частоте 1 ГГц, 3G, акустическая волна резонирующих или строительных блоков фильтров называлась ПАВ или поверхностной акустической волной. Это очень простое устройство со структурой металлического купола поверх пьезоэлектрической подложки, и металл физически движется, чтобы создать резонанс, из которого вы строите фильтр. Это был идеальный пьезоэлектрический резонатор для такой частоты и полосы пропускания.
Когда вы переходите с 3G на 4G, требования сильно меняются, это 2 ГГц [частота], а теперь полоса пропускания от 60 до 70 МГц. Чтобы удовлетворить этим новым требованиям, можно было толкать SAW, но это не было оптимальным решением.
Поэтому компания Broadcom, в то время Avago, разработала оптимальную структуру для этих новых требований, которую они назвали FBAR [объемный пленочный акустический резонатор]. По сути, это металлический барабан вокруг пьезоэлектрика [подложки], который представляет собой нитрид алюминия, и этот металлический купол затем вибрирует с частотой около 2 ГГц с нужной полосой пропускания. [Avago приобрела Broadcom в 2015 году.]
При переходе с 4G на 5G опять же требования совсем другие. Вы говорите о 3.5-4.5 ГГц, и это не просто 5G. Новые диапазоны Wi-Fi находятся в диапазоне 6 ГГц, а сверхширокополосный (UWB), используемый в автомобиле для очень точного определения местоположения, находится в диапазоне 7 ГГц. Все это связано с тем, что вам нужна такая широкая полоса пропускания, а ниже 3 ГГц нет ничего доступного.
Производители, которые преуспели в 4G, они пытаются расширить характеристики своей структуры объемных акустических волн (BAW), FBAR, путем легирования материалов и добавления дополнительных элементов, чтобы соответствовать новым требованиям к фильтрам. Поскольку мы лицензирующая компания и у нас нет устаревшего багажа, основанного на разработке, производстве или литейном производстве, Resonant решил посмотреть, какая структура или строительный блок будет наилучшей для этих новых требований.
У нас есть очень мощный и точный программный инструмент, мы проверили сотни и тысячи различных типов структур для этих фильтров и разработали XBAR [тип акустического резонатора BAW], который, по нашему мнению, имеет правильный коэффициент связи, чтобы соответствовать требованиям. полосы пропускания 600 МГц, 900 МГц, 1200 МГц на частотах от 3 до 13 ГГц и даже выше. Но сейчас наша основная цель - диапазон 3–8 ГГц, в котором сейчас сосредоточена большая часть рынка.
Резонатор XBAR, показывающий поперечное сечение основной структуры и объемной волны, возбуждаемой металлическими пальцами встречно-штыревого преобразователя (IDT) (Источник: резонансный) Щелкните, чтобы увеличить изображение.
Электроника: Помимо новых требований к производительности, насколько сложно продолжать уменьшать размер фильтров, чтобы их так много в смартфоне могло работать с разными частотными диапазонами?
Майк Эдди: Это абсолютно критично. Когда вы смотрите на толщину смартфона в наши дни, вы действительно должны быть осторожны с высотой фильтров. Типичный полосовой фильтр в телефоне имеет площадь около одного квадратного миллиметра и толщину около 35 мм. Так что это просто пыль, но их так много, что они занимают много места.
Электроника: Что произойдет, если вы не выберете правильный RF-фильтр для своего приложения? Как это влияет на производительность?
Майк Эдди: Если вы посмотрите на демонтаж 5G модуль а фильтры 5G, которые используются сейчас на ранних стадиях 5G, очень плохие. Они не очень хорошо блокируют потенциальные помехи, и причина, по которой они могут работать прямо сейчас, заключается в том, что трафика не так много. По мере того, как вы получаете трафик в этих новых диапазонах частот 5G, вам необходимо отвергать эти потенциальные помехи. Ключом к производительности является так называемое соотношение сигнал/помеха и шум [SINR], поэтому вам нужен сигнал, значительно превышающий минимальный уровень шума.
И чем выше уровень шума, тем выше скорость передачи данных и удобнее для пользователя. Если вы не можете отбросить потенциальных источников помех в соседних полосах частот, то эти помехи повышают уровень шума. Следовательно, отношение сигнал / шум ухудшается, что означает, что скорость передачи данных значительно ухудшается, что в конечном итоге означает, что вы не можете получить желаемое качество видео, и вы получаете резкое снижение времени автономной работы, потому что ваша батарея пытается работать усерднее, чтобы чтобы получить сигнал.
Другая часть 5G - это скорость передачи данных и задержка. Если вы тратите много времени на ретрансляцию из-за плохого качества сигнала, ваша задержка тоже увеличивается. Вот почему фильтры так важны, потому что, если вы действительно хотите получить опыт, который обещает 5G, вы действительно хотите защитить эту полосу пропускания. Verizon заплатила более 40 миллиардов долларов за C-блок в США, и последнее, что они хотят сделать, - это заплатить все эти деньги и обнаружить, что пользовательский опыт далеко не соответствует ожиданиям от 5G.
Электроника: как SINR снижает срок службы батареи?
Майк Эдди: Теорема физики, называемая законом Шеннона [теорема Шеннона-Хартли о пропускной способности], сообщает вам, какую пропускную способность и скорость передачи данных вы можете получить из радиочастотного канала. Это очень простая формула: это полоса пропускания, количество радиочастотных трактов в телефоне и количество антенн, а также отношение сигнал / помеха и шум.
Эти разные поколения беспроводных технологий влияют на эти три вещи, поэтому полоса пропускания означает новые полосы частот, которые шире и объединяют несколько полос частот; это количество радиочастотных трактов, то есть количество антенн, а также отношение сигнал / помеха и шум, что означает защиту с помощью фильтров и приближение источника сигнала к пользователю. Вот почему с 5G вы часто слышите об уплотнении сети и малых сот, потому что чем ближе вы приближаете этот источник сигнала, тем выше мощность сигнала, поэтому тем больше SINR - отношение сигнал / помеха и шум.
Электроника: что такое технология XBAR и как она решает некоторые из этих проблем 5G?
Майк Эдди: Наш программный инструмент представляет собой инструмент моделирования методом конечных элементов (FEM) под названием Infinite Synthesized Networks для разработки сложных фильтров акустических волн. Если мы знаем свойства материалов и физические размеры, мы можем точно предсказать производительность фильтра. Мы разработали его для поверхностной акустической волны (SAW), которая является технологией 3G, и TC-Saw [SAW с температурной компенсацией], которая является расширением этой технологии 3G для 4G.
Около трех лет назад мы хотели расширить его для технологии объемных акустических волн (BAW), но мы также поняли, что 5G скоро появится. Когда мы смотрели на 5G, мы не могли понять, как технология 4G BAW будет работать для этих новых требований. Поэтому вместо того, чтобы тратить на это время, мы решили посмотреть, какая технология акустических волн будет лучшей для новых требований 5G. И тогда мы изобрели XBAR. На стыке нашей очень точной технологии разработки программного обеспечения, технических подложек и нашей талантливой команды дизайнеров мы разработали XBAR, технологию BAW, которая сильно отличается от всего, что существовало ранее. Он соответствует требованиям к пропускной способности, высокой частоте и высокой мощности [5G].
Другая часть, касающаяся высоких частот, означает, что сигналы не распространяются до сигналов более низких частот, поэтому способ обойти это - увеличить мощность. Это означает, что все компоненты в РЧ-цепи должны поддерживать более высокую мощность, и мы обнаружили, что XBAR может удовлетворить все эти новые требования.
Мы показали [на основе XBAR] 5G RF-фильтры всем основным игрокам отрасли. Они были очень взволнованы, потому что все понимали, что требования к 5G меняются. На Mobile World Congress 2019 мы показали демонстрационный фильтр с использованием XBAR, который соответствовал всем требованиям 5G. Он называется фильтром n79 с полосой пропускания 600 МГц от 4.4 до 5 ГГц, который отклоняет соседние сигналы n77 и Wi-Fi.
К нам быстрее всего перешла японская компания - крупнейший производитель фильтров в мире. Они очень быстро подписали соглашение об инвестировании в Resonant, а также подписали соглашение о разработке ВЧ-фильтров с использованием XBAR. Мы работали над этой программой развития, и в конце прошлого года мы достигли второй важной вехи. Это означает, что мы выполнили все технологические требования к производительности, упаковке и надежности, и они переводят эти [радиочастотные фильтры на основе XBAR] в коммерческое производство. Мы ожидаем увидеть наши разработки в сетях 5G, Wi-Fi и UWB как часть рынка смартфонов в 2022 году. [Murata подписала многолетнее коммерческое соглашение для XBAR в 2019 году.]
Основные характеристики резонатора XBAR, отвечающие требованиям 5G (Источник: Resonant) Щелкните, чтобы увеличить изображение.
Электроника. Хотите ли вы что-нибудь еще добавить для инженеров и дизайнеров, занимающихся проектированием сетей 5G?
Майк Эдди: В любой компании всегда есть умные люди, и так много устаревших технологий, интеллектуальной собственности, литейных производств и производства, связанных со всеми этими предыдущими технологиями. Они найдут способ заставить его работать для 5G - с широкой полосой пропускания и высокой частотой - но это всегда компромисс.
XBAR может покрыть всю полосу пропускания с помощью одного фильтра. Мы уже видим, что делают другие компании. Они делают несколько фильтров, чтобы перекрыть полосу пропускания. Это будет работать, но в мире XBAR он всегда будет неконкурентоспособным, потому что он будет больше, будет дороже и будет иметь более низкую производительность, потому что у вас будет больше потерь по сравнению с одним устройством, которое покрывает весь частотный диапазон.
Всем известно, что в 2022 и 2023 годах, когда появятся сети 5G, вам потребуются высокопроизводительные фильтры, чтобы получить опыт работы с 5G. 5G в его нынешнем виде - это первая волна, которая больше связана с маркетингом, чем с пользовательским. Это какой оператор может претендовать на первую общенациональную сеть и какой оператор может претендовать на лучшую производительность. Производительность 5G сейчас примерно такая же, как у 4G.
Как только вы развернете сеть с новыми полосами спектра и новыми частотами и начнете уплотнять сеть, тогда вы увидите скорость 700 мегабайт / 1 гигабит в секунду с задержкой менее 10 миллисекунд. Это по сравнению с 20-30 мегабитами в секунду, которые вы видите прямо сейчас, потому что мы еще не развернули реальную сеть.
Электроника: Считаете ли вы, что радиочастотные фильтры препятствуют развитию 5G?
Майк Эдди: Например, обычная загрузка фильма сейчас занимает около 25 минут в типичной сети 4G или ранней стадии 5G. Если у вас есть полная реализация 5G с высокопроизводительной фильтрацией, это порядка 13 или 14 секунд.
5G сильно отличается от сотовых сетей предыдущих поколений. Это увеличение скорости передачи данных, обрезание шнура и использование [случаев] беспроводной связи в повседневной жизни. Сочетание скорости передачи данных и уменьшенной задержки позволяет создавать новые приложения. Вот почему вы много слышите о частных сетях, Индустрии 4.0, автономных автомобилях и удаленных операциях. Он начинает открывать новые приложения из-за совершенно разных применений, которые могут быть предусмотрены для высоких скоростей передачи данных и низкой задержки.