Mobil operatörler ve OEM'lerin, 5G'nin veri hızı, ultra düşük gecikme süresi ve daha yüksek kapasite gibi avantajlarının potansiyelini kullanabilmeleri için çeşitli zorlukların üstesinden gelmeleri gerekiyor. Bunlar, altyapı ve ekipmana ilişkin maliyet sorunlarından RF filtreleri ve çözümleri, sensörler, zamanlama cihazları ve yarı iletkenler dahil olmak üzere etkinleştirme teknolojilerindeki yeniliklere kadar uzanır.
Bu inovasyon şirketlerinden biri, fikri mülkiyet (IP) yazılım platformuna dayalı RF filtre çözümleri sağlayıcısı olan Resonant Inc.'dir. Şirket XBAR RF filtresini geliştirdi teknoloji5G'nin bant genişliği gereksinimlerini karşılayan ve Wi-Fi 6 ve 6e uygulamaları, Sonsuz Sentezlenmiş Ağlar (ISN) adı verilen eski sonlu eleman modelleme (FEM) yazılım platformunu kullanıyor. Şirket yakın zamanda, hibrit çoklu bulut, geniş bellekli GPU destekli uygulamadan yararlanarak RF filtreleri tasarlamak için 3D FEM simülasyon yeteneği sunan, Haziran ayında tanıtılan yeni WaveX tasarım platformuna yükseltme yaptı.
WaveX, özel algoritmalar, yazılım tasarım araçları ve ağ sentezi tekniklerinden oluşan bir paket içerir. Resonant tasarım ekibinin, yüksek performanslı 5G, Wi-Fi ve Ultra geniş bant (UWB) filtreler için kritik gereksinimler olan çıkıntıların nedenlerini belirlemesine, yalıtımı optimize etmesine, ekleme kaybını en aza indirmesine, bant genişliğini ve merkez frekansını yönetmesine olanak tanır.
Resonant, müşterilerine kendi fabrikalarında veya Resonant'ın dökümhane ortaklarından birinde ürettikleri yüzey akustik dalgası (SAW) ve sıcaklık kompanzasyonlu SAW (TC-SAW) teknolojilerine dayalı tasarım simülasyonları sunmaktadır.
Elektronik Ürünler Resonant'ın kurumsal geliştirmeden sorumlu başkan yardımcısı Mike Eddy ile RF filtrelerinin 5G'yi mümkün kılan bir teknoloji olduğu hakkında konuştu. İşte tartışmadan bir alıntı.
Elektronik Ürünler: Filtreler nerede kullanılır?
Mike Eddy: Filtreler birçok farklı cihazda kullanılır, ancak özellikle birden fazla frekans bandını yönetmeniz gereken akıllı telefonlarda kullanılır. iPhone 12 veya 11 gibi tipik bir akıllı telefon, 60 ila 80 arasında filtreye sahip olacaktır.
Filtreleri ayarlayamazsınız, bu nedenle telefondaki her farklı frekans bandının bir filtreye ihtiyacı vardır. Ve her şey bant genişliği ile ilgili olduğundan, birden fazla bandı birleştirmeniz de gerekir; bu nedenle bir akıllı telefonun çok sayıda anteni vardır. Her antenin tamamen yeni bir RF bileşeni setine ihtiyacı vardır, bu da tamamen yeni bir filtre seti anlamına gelir. Örneğin, bir iPhone 12'nin sanırım beş anteni vardı; biri Wi-Fi, Bluetooth ve GPS içindi, diğer dördü de hücresel içindi.
5G'nin ilginç yanı, çok daha yüksek frekansta olan yeni bir frekans bantları seti olmasıdır. 3G öncelikle 1 GHz frekanslarla ilgiliydi; 4G yaklaşık 2 GHz frekansındaydı ve çok çok hızlı veri hızlarına ve çok çok kısa gecikmelere sahip olmak istediğiniz 5G'ye baktığınızda geniş bant genişliklerine ihtiyacınız var ve 3 GHz'in altındaki frekanslar artık dolu. Yani 5G'de bant genişliği geniş, yani yüksek veri hızları ve düşük gecikme anlamına gelen yeni frekans bantları elde etmek için 3 GHz'in üzerine bakmanız gerekiyordu. Bu nedenle 5G'de bu bantların 77 ve 79 milimetrelik dalga (mmWave) halinde olduğunu duyuyorsunuz. Her ikisi de 3 GHz'in üzerindedir, yani örneğin n77 3.3 ila 4 GHz aralığındadır, yani çok daha geniş bir bant genişliği ama yine çok daha yüksek bir frekanstır.
5G 6 GHz altı ve 3 GHz ila 7 GHz frekanslarında Wi-Fi bantları (Kaynak: Resonant) Resmi büyütmek için tıklayın.
Elektronik Ürünler: 5G, filtre gereksinimlerini nasıl değiştiriyor?
Mike Eddy: 3G'den 4G'ye, yaklaşık 1 GHz'den 2 GHz frekansına çıktınız ve bant genişlikleri 30'dan 40 MHz'e, 60'tan 70 MHz'e çıktı. 1 GHz, 3G'deyken, rezonans yapan veya filtrelerin yapı taşlarının akustik dalgasına SAW veya yüzey akustik dalgası deniyordu. Bu, piezoelektrik alt katmanın üzerinde metal kubbe yapısına sahip çok basit bir cihazdır ve metal, filtre oluşturabileceğiniz bir rezonans oluşturmak için fiziksel olarak hareket eder. Bu, bu tür bir frekans ve bant genişliği için mükemmel bir piezoelektrik rezonatördü.
3G'den 4G'ye geçtiğinizde gereksinimler çok farklıdır; 2 GHz [frekans] ve artık 60 ila 70 MHz bant genişliğidir. Bu yeni gereklilikleri karşılamak için SAW'a baskı yapılabilirdi ancak bu ideal değildi.
Ve böylece Broadcom, Avago, bu yeni gereksinimler için en uygun yapının ne olduğunu buldu ve buna FBAR (film toplu akustik rezonatör) adını verdiler. Temelde alüminyum nitrür olan bir piezoelektrik [substrat] etrafındaki metal bir tamburdur ve bu metal kubbe daha sonra doğru bant genişliği ile yaklaşık 2 GHz frekansında titreşir. [Avago, Broadcom'u 2015'te satın aldı.]
Şimdi 4G'den 5G'ye geçerken gereksinimler yine çok farklı. 3.5-4.5 GHz'den bahsediyorsunuz ve bu sadece 5G değil. Yeni Wi-Fi bantları 6 GHz'dedir ve araçta çok doğru konum tespiti için kullanılan ultra geniş bant (UWB) 7 GHz aralığındadır. Bütün bunlar, bu geniş bant genişliklerine ihtiyaç duymanız ve 3 GHz'in altında hiçbir şeyin mevcut olmaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır.
4G'de başarılı olan üreticiler, filtrelere yönelik yeni gereklilikleri karşılamak için malzeme katkılaması yaparak ve ekstra öğeler ekleyerek toplu akustik dalga (BAW) yapıları olan FBAR'ın performansını genişletmeye çalışıyorlar. Lisans veren bir şirket olduğumuzdan ve mühendislik, üretim veya dökümhaneye dayalı eski bir bagajımız olmadığından Resonant'ın yaptığı, bu yeni gereksinimler için en iyi yapının veya yapı taşının ne olabileceğine bakmaktı.
Çok güçlü ve doğru bir yazılım aracımız var ve bu filtreler için yüzlerce ve binlerce farklı yapıyı taradık ve gereksinimleri karşılamak için doğru bağlantı katsayısına sahip olduğuna inandığımız XBAR'ı (bir tür BAW akustik rezonatör) ortaya çıkardık. 600-900 GHz ve hatta bunun ötesindeki frekanslarda 1200 MHz, 3 MHz, 13 MHz bant genişliği. Ancak şu anda asıl odak noktamız 3-8 GHz aralığıdır ve şu anda pazarın çoğunun bulunduğu yer burasıdır.
XBAR rezonatörü, temel yapının kesitini ve metal interdigital transdüser (IDT) parmakları tarafından uyarılan toplu dalgayı gösterir (Kaynak: Rezonant) Daha büyük bir görüntü için tıklayın.
Elektronik Ürünler: Yeni performans gerekliliklerine ek olarak, farklı frekans bantlarını işleyebilmek için filtrelerin boyutunu bir akıllı telefona sığdırmak amacıyla filtrelerin boyutunu küçültmeye devam etmek ne kadar zor?
Mike Eddy: Kesinlikle kritik. Günümüzde bir akıllı telefonun ne kadar kalın olduğuna baktığınızda, filtrelerin yüksekliğine gerçekten dikkat etmeniz gerekiyor. Bir telefondaki tipik bir bant geçiren filtre yaklaşık bir milimetre kareye ve yaklaşık 35 mm kalınlığa sahiptir. Yani bunlar sadece toz zerreleri ama o kadar çoklar ki çok fazla yer kaplıyorlar.
Elektronik Ürünler: Uygulamanız için doğru RF filtresini seçmezseniz ne olur? Performansı nasıl etkiler?
Mike Eddy: 5G'nin parçalanmasına bakarsanız modül ve şu anda 5G'nin ilk aşamalarında kullanılan 5G filtreleri, filtreler çok zayıf. Potansiyel müdahaleyi pek iyi reddedemiyorlar ve şu anda çalışabilmelerinin nedeni trafiğin çok az olmasıdır. Bu yeni 5G frekans bantlarında trafik alırken, bu potansiyel müdahalecileri reddetmeniz gerekir. Performansın anahtarı, sinyal-parazit ve gürültü oranı [SINR] olarak adlandırılan şeydir, dolayısıyla sinyalin gürültü tabanının çok üzerinde olmasını istersiniz.
Ve bu sinyal, gürültü tabanının ne kadar üzerinde olursa, veri hızı o kadar hızlı olur ve kullanıcı deneyimi o kadar iyi olur. Komşu frekans bantlarındaki potansiyel parazitleri reddedemezseniz, bu durumda bu parazit gürültü tabanını yükseltir. Bu nedenle sinyal-gürültü oranınız kötüleşir, bu da veri hızınızın önemli ölçüde azalması anlamına gelir; bu da sonuçta istediğiniz video kalitesini elde edemeyeceğiniz ve pilinizin daha fazla çalışmaya çalışması nedeniyle pil ömründe dramatik bir düşüş yaşayacağınız anlamına gelir. sinyali almak için.
5G'nin diğer kısmı tamamen veri hızı ve gecikmeyle ilgilidir. Sinyalinizin kalitesi iyi olmadığı için yeniden iletim için çok fazla zaman harcıyorsanız, gecikmeniz de artar. İşte bu yüzden filtreler bu kadar önemli çünkü 5G'nin vaat ettiği deneyimi gerçekten elde etmek istiyorsanız, bu bant genişliğini gerçekten korumak istiyorsunuz. Verizon, ABD'deki C bloğu için 40 milyar dolardan fazla para ödedi ve yapmak istedikleri son şey, tüm bu parayı ödemek ve kullanıcı deneyiminin 5G için beklenene hiç de yakın olmadığını görmek.
Elektronik Ürünler: SINR pil ömrünü nasıl azaltır?
Mike Eddy: Shannon Yasası [Shannon-Hartley Kapasite Teoremi] adı verilen bir fizik teoremi, size bir RF kanalından ne tür bir kapasite ve veri hızı elde edebileceğinizi söyler. Bu çok basit bir formül: bant genişliği, telefondaki RF yollarının sayısı ve anten sayısı ve sinyal-parazit ve gürültü oranıdır.
Bu farklı nesil kablosuz teknolojiler bu üç şeyi etkiliyor; dolayısıyla bant genişliği, daha geniş ve birden fazla frekans bandını bir araya getiren yeni frekans bantları anlamına geliyor; RF yollarının sayısı yani anten sayısı ve sinyal-parazit ve gürültü oranıyla ilgilidir, yani filtrelerle koruma ve sinyal kaynağının kullanıcıya yakınlaştırılması anlamına gelir. Bu nedenle 5G ile ağın ve küçük hücrelerin yoğunlaşması hakkında çok şey duyarsınız çünkü sinyal kaynağını ne kadar yakına getirirseniz sinyal gücü o kadar yüksek olur, yani SINR (sinyal-parazit ve gürültü oranı) o kadar büyük olur.
Elektronik Ürünler: XBAR teknolojisi nedir ve bu 5G zorluklarından bazılarını nasıl çözüyor?
Mike Eddy: Yazılım aracımız, karmaşık akustik dalga filtreleri geliştirmek için Sonsuz Sentezlenmiş Ağlar adı verilen bir sonlu eleman modelleme (FEM) aracıdır. Malzeme özelliklerini ve fiziksel boyutları bilirsek filtre performansını doğru bir şekilde tahmin edebiliriz. Bir 3G teknolojisi olan yüzey akustik dalgası (SAW) ve bu 3G teknolojisinin 4G için bir uzantısı olan TC-Saw [sıcaklık telafili SAW] için geliştirdik.
Yaklaşık üç yıl önce bunu toplu akustik dalga (BAW) teknolojisi için genişletmeyi düşünüyorduk ancak aynı zamanda 5G'nin de yaklaştığını fark ettik. 5G'ye baktığımızda 4G BAW teknolojisinin bu yeni gereksinimler için nasıl çalışacağını göremedik. Bu yüzden bunun üzerinde zaman harcamak yerine 5G'nin yeni gereksinimleri için en iyi akustik dalga teknolojisinin ne olabileceğine bakmaya karar verdik. İşte o zaman XBAR'ı icat ettik. Son derece hassas yazılım tasarım teknolojimiz, mühendislik alt katmanlarımız ve yetenekli tasarım ekibimizin kesişmesiyle, daha önce var olan her şeyden çok farklı bir BAW teknolojisi olan XBAR'ı geliştirdik. [5G'nin] geniş bant genişliği, yüksek frekans ve yüksek güç işleme gereksinimlerini karşılar.
Yüksek frekansla ilgili diğer kısım, sinyallerin düşük frekanslı sinyallere kadar yayılmadığı anlamına gelir; dolayısıyla bunu aşmanın yolu, gücü artırmaktır. Bu, RF zincirindeki tüm bileşenlerin daha yüksek gücü kaldırabilmesi gerektiği anlamına gelir ve XBAR'ın bu yeni gereksinimlerin tümünü karşılayabildiğini gördük.
[XBAR tabanlı] 5G RF filtrelerini sektördeki tüm büyük oyunculara gösterdik. Herkes 5G'nin gereksinimlerinin değiştiğini anladığı için çok heyecanlandılar. Mobil Dünya Kongresi 2019'da, 5G için tüm doğru gereksinimleri karşılayan, XBAR kullanan bir tanıtım filtresi gösterdik. Komşu n79 ve Wi-Fi sinyallerini reddeden, 600 ila 4.4 GHz arasında 5 MHz bant genişliğine sahip n77 filtresi olarak adlandırılıyor.
Bizimle çalışmak için en hızlı harekete geçen firma, dünyanın en büyük filtre üreticisi olan bir Japon firmasıydı. Resonant'a yatırım yapmak için çok hızlı bir şekilde bir anlaşma imzaladılar ve ayrıca XBAR kullanan RF filtreleri için bir geliştirme anlaşması imzaladılar. Bu geliştirme programı üzerinde çalışıyorduk ve geçen yılın sonlarında ikinci önemli dönüm noktasına ulaştık. Bu, performans, paketleme ve güvenilirlik açısından tüm teknoloji gereksinimlerini karşıladığımız ve bu [XBAR tabanlı RF filtrelerini] ticarileştirmeye taşıdıkları anlamına geliyor. 5'ye girerken akıllı telefon pazarının bir parçası olarak 2022G, Wi-Fi ve UWB tasarımlarımızı görmeyi bekliyoruz. [Murata, 2019'da XBAR için çok yıllı ticari anlaşma imzaladı.]
5G gereksinimlerini karşılayan XBAR rezonatörünün temel özellikleri (Kaynak: Rezonans) Resmi büyütmek için tıklayın.
Elektronik Ürünler: 5G tasarımlarıyla ilgilenen mühendis ve tasarımcılar için eklemek istediğiniz başka bir şey var mı?
Mike Eddy: Herhangi bir şirkette her zaman akıllı insanlar vardır ve tüm bu önceki teknolojilerle ilişkili çok sayıda eski mühendislik, fikri mülkiyet, dökümhane ve imalat vardır. Bunu 5G için çalıştırmanın bir yolunu (geniş bant genişliği ve yüksek frekans) bulacaklar, ancak bu her zaman bir uzlaşmadır.
XBAR, tek bir filtreyle tüm bant genişliğini kapsayabilir. Diğer şirketlerin neler yaptığını zaten görüyoruz. Bant genişliklerini karşılamak için birden fazla filtre yapıyorlar. Bu işe yarayacaktır ancak bir XBAR dünyasında her zaman rekabetçi olmayacaktır çünkü daha büyük olacak, daha maliyetli olacak ve daha düşük performansa sahip olacak çünkü tüm alanı kapsayan tek bir cihazla karşılaştırıldığında daha fazla kaybınız olur. tüm frekans bandı.
2022 ve 2023'te 5G ağları kullanıma sunulduğunda, 5G deneyimini elde etmek için yüksek performanslı filtrelere ihtiyaç duyacağınızı herkes biliyor. Şu anki haliyle 5G, bir kullanıcı deneyiminden çok bir pazarlama deneyimi olan birinci dalgadır. Hangi operatörün ülke çapındaki ilk ağı iddia edebileceği ve hangi operatörün en iyi performansı iddia edebileceği önemlidir. 5G’nin performansı şu anda 4G ile hemen hemen aynı.
Ağı yeni spektrum bantları ve yeni frekanslarla konuşlandırdığınızda ve ağı yoğunlaştırmaya başladığınızda, 700 milisaniyeden daha az bir gecikmeyle saniyede 1 megabayt/10 gigabit türde hızlar göreceksiniz. Bu, şu anda gördüğünüz saniyede 20-30 megabit ile karşılaştırılıyor çünkü henüz gerçek ağı konuşlandırmadık.
Elektronik Ürünler: RF filtrelerinin 5G'nin önünde performans engeli olduğunu düşünüyor musunuz?
Mike Eddy: Örneğin, tipik bir film indirme işlemi şu anda tipik bir 25G veya erken aşamadaki 4G ağında yaklaşık 5 dakika sürüyor. Yüksek performanslı filtrelemeye sahip tam bir 5G uygulamanız varsa bu süre 13 veya 14 saniye civarındadır.
5G, önceki hücresel nesillerden çok farklı. Günlük yaşamınızda veri hızını, kablo kesmeyi ve kablosuz kullanım [durumlarını] artırıyor. Veri hızı ve azaltılmış gecikmenin birleşimi yeni uygulamalara olanak sağlar. Bu nedenle özel ağlar, Endüstri 4.0, otonom arabalar ve uzaktan ameliyatlar hakkında çok şey duyuyorsunuz. Yüksek veri hızları ve düşük gecikmeler için öngörülebilecek tamamen farklı kullanımlar nedeniyle yeni uygulamaların kapılarını açmaya başlıyor.