Trước khi các nhà khai thác di động và OEM có thể tận dụng tiềm năng lợi thế của 5G về tốc độ dữ liệu, độ trễ cực thấp và dung lượng lớn hơn, họ cần phải vượt qua một số thách thức. Những vấn đề này bao gồm từ các vấn đề chi phí cho cơ sở hạ tầng và thiết bị cho đến đổi mới công nghệ cho phép, bao gồm bộ lọc và giải pháp RF, cảm biến, thiết bị định thời và chất bán dẫn.
Một trong những công ty đổi mới đó là Resonant Inc., nhà cung cấp giải pháp lọc RF dựa trên nền tảng phần mềm sở hữu trí tuệ (IP). Công ty đã phát triển bộ lọc XBAR RF công nghệ, đáp ứng các yêu cầu về băng thông cho 5G và Wi-Fi 6 và 6e, sử dụng nền tảng phần mềm mô hình phần tử hữu hạn (FEM) kế thừa của nó, được gọi là Mạng tổng hợp vô hạn (ISN). Gần đây, công ty đã nâng cấp lên nền tảng thiết kế WaveX mới, được giới thiệu vào tháng 3, cung cấp khả năng mô phỏng FEM XNUMXD để thiết kế các bộ lọc RF, tận dụng triển khai hỗ trợ GPU bộ nhớ lớn, đa đám mây kết hợp.
WaveX bao gồm một bộ các thuật toán độc quyền, công cụ thiết kế phần mềm và kỹ thuật tổng hợp mạng. Nó cho phép nhóm thiết kế Resonant xác định các nguyên nhân của sự thúc đẩy, tối ưu hóa sự cô lập, giảm thiểu tổn thất chèn, quản lý băng thông và tần số trung tâm, là những yêu cầu quan trọng đối với bộ lọc 5G, Wi-Fi và băng thông siêu rộng (UWB) hiệu suất cao.
Resonant cung cấp các mô phỏng thiết kế, dựa trên công nghệ sóng âm bề mặt (SAW) và SAW bù nhiệt độ (TC-SAW), cho khách hàng mà họ sản xuất tại xưởng của họ hoặc tại một trong những đối tác đúc của Resonant.
điện tử Sản phẩm đã nói chuyện với Mike Eddy của Resonant, phó chủ tịch phát triển công ty, về bộ lọc RF như một công nghệ hỗ trợ cho 5G. Đây là một đoạn trích từ cuộc thảo luận.
Sản phẩm điện tử: Bộ lọc được sử dụng ở đâu?
Mike Eddy: Bộ lọc được sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau nhưng đặc biệt là trong điện thoại thông minh, nơi bạn cần quản lý nhiều dải tần. Một điện thoại thông minh điển hình, chẳng hạn như iPhone 12 hoặc 11, sẽ có khoảng 60 đến 80 bộ lọc.
Bạn không thể điều chỉnh các bộ lọc, do đó, mọi dải tần khác nhau trong điện thoại đều cần một bộ lọc. Và bởi vì mọi thứ đều liên quan đến băng thông, bạn cũng cần tổng hợp nhiều băng tần, vì vậy đó là lý do tại sao điện thoại thông minh có nhiều ăng-ten. Mỗi ăng-ten cần một bộ thành phần RF hoàn toàn mới, nghĩa là một bộ lọc hoàn toàn mới. Vì vậy, ví dụ, một chiếc iPhone 12, tôi nghĩ có một cái gì đó giống như năm ăng-ten - một dành cho Wi-Fi Bluetooth và GPS và bốn ăng-ten còn lại đều dành cho mạng di động.
Khía cạnh thú vị của 5G là nó là một tập hợp các dải tần số mới có tần số cao hơn nhiều. 3G chủ yếu là tần số 1 GHz; 4G có tần số khoảng 2 GHz và khi bạn nhìn vào 5G, nơi bạn muốn có tốc độ dữ liệu rất, rất nhanh và độ trễ rất ngắn, bạn cần băng thông rộng và các tần số dưới 3 GHz hiện đã đầy. Vì vậy, đối với 5G để có được các dải tần số mới có băng thông rộng, có nghĩa là tốc độ dữ liệu cao và độ trễ thấp, bạn cần phải nhìn trên 3 GHz. Đó là lý do tại sao với 5G, bạn nghe về các băng tần này ở sóng 77 và 79 milimet (mmWave). Cả hai đều trên 3 GHz, vì vậy, ví dụ như n77 nằm trong phạm vi 3.3 đến 4 GHz, vì vậy nó có băng thông rộng hơn nhiều nhưng lại có tần số cao hơn nhiều.
Băng tần 5G phụ 6 GHz và Wi-Fi ở tần số 3 GHz đến 7 GHz (Nguồn: Resonant) Nhấp để xem hình ảnh lớn hơn.
Sản phẩm điện tử: 5G thay đổi các yêu cầu đối với bộ lọc như thế nào?
Mike Eddy: Từ 3G lên 4G, bạn đã đi từ tần số khoảng 1 GHz đến 2 GHz và băng thông từ 30 đến 40 MHz đến 60 đến 70 MHz. Khi bạn ở tốc độ 1 GHz, 3G, sóng âm của các khối cộng hưởng hoặc khối xây dựng của bộ lọc được gọi là SAW hoặc sóng âm bề mặt. Đó là một thiết bị rất đơn giản với cấu trúc mái vòm kim loại nằm trên chất nền áp điện và kim loại chuyển động vật lý để tạo ra cộng hưởng từ đó bạn tạo ra một bộ lọc. Đó là bộ cộng hưởng áp điện hoàn hảo cho loại tần số và băng thông đó.
Khi bạn chuyển từ 3G sang 4G thì các yêu cầu rất khác, đó là 2 GHz [tần số] và bây giờ là băng thông 60 đến 70 MHz. SAW có thể được thúc đẩy để đáp ứng những yêu cầu mới này nhưng nó không phải là tối ưu.
Và vì vậy Broadcom, Avago vào thời điểm đó, đã đưa ra cấu trúc tối ưu cho những yêu cầu mới này, mà họ gọi là FBAR [bộ cộng hưởng âm thanh số lượng lớn phim]. Về cơ bản, nó là một trống kim loại xung quanh [chất nền] áp điện, là nhôm nitride, và mái vòm kim loại đó sau đó sẽ rung ở tần số khoảng 2 GHz với đúng loại băng thông. [Avago mua lại Broadcom vào năm 2015.]
Bây giờ chuyển từ 4G lên 5G, một lần nữa, các yêu cầu rất khác nhau. Bạn đang nói về 3.5-4.5 GHz và nó không chỉ là 5G. Các băng tần Wi-Fi mới có tốc độ 6 GHz và băng tần siêu rộng (UWB) được sử dụng trên xe hơi để xác định vị trí rất chính xác nằm trong phạm vi 7 GHz. Tất cả được thúc đẩy bởi thực tế là bạn cần những băng thông rộng này và không có gì có sẵn dưới 3 GHz.
Các nhà sản xuất đã phát triển tốt 4G, họ đang cố gắng mở rộng hiệu suất của cấu trúc sóng âm số lượng lớn (BAW), FBAR, bằng cách pha tạp vật liệu và thêm các yếu tố bổ sung để đáp ứng các yêu cầu mới cho bộ lọc. Vì chúng tôi là một công ty cấp phép và không có hành lý kế thừa dựa trên kỹ thuật, sản xuất hoặc xưởng đúc, những gì Resonant đã làm là xem xét đâu sẽ là cấu trúc hoặc khối xây dựng tốt nhất cho những yêu cầu mới này.
Chúng tôi có một công cụ phần mềm rất mạnh mẽ và chính xác và đã sàng lọc hàng trăm nghìn loại cấu trúc khác nhau cho các bộ lọc này và đưa ra XBAR [một loại bộ cộng hưởng âm thanh BAW], mà chúng tôi tin rằng có hệ số ghép nối phù hợp để đáp ứng các yêu cầu băng thông 600 MHz, 900 MHz, 1200 MHz ở các tần số từ 3-13 GHz và thậm chí cao hơn thế. Nhưng trọng tâm chính của chúng tôi bây giờ là ở dải tần 3-8 GHz, đây là nơi có hầu hết thị trường hiện nay.
Bộ cộng hưởng XBAR, hiển thị mặt cắt của cấu trúc cơ bản và sóng khối được kích thích bởi các ngón tay của đầu dò liên kỹ thuật số (IDT) bằng kim loại (Nguồn: Resonant) Nhấp để xem hình ảnh lớn hơn.
Sản phẩm Điện tử: Ngoài các yêu cầu về hiệu suất mới, thách thức như thế nào khi tiếp tục thu nhỏ kích thước của các bộ lọc để vừa với nhiều bộ lọc trong một chiếc điện thoại thông minh để xử lý các dải tần số khác nhau?
Mike Eddy: Nó hoàn toàn quan trọng. Khi bạn nhìn vào độ dày của một chiếc điện thoại thông minh ngày nay, bạn thực sự phải cẩn thận về chiều cao của các bộ lọc. Bộ lọc thông dải điển hình trong điện thoại có độ dày khoảng một mm vuông x 35 mm. Vì vậy, những thứ này chỉ là thông số kỹ thuật của bụi nhưng có rất nhiều trong số chúng chiếm rất nhiều diện tích.
Sản phẩm Điện tử: Điều gì xảy ra nếu bạn không chọn đúng bộ lọc RF cho ứng dụng của mình? Nó ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào?
Mike Eddy: Nếu bạn nhìn vào sự sụp đổ của 5G mô-đun và các bộ lọc 5G hiện đang được sử dụng trong giai đoạn đầu của 5G, các bộ lọc này rất kém. Chúng không loại bỏ tốt sự can thiệp tiềm ẩn và lý do chúng có thể hoạt động ngay bây giờ là vì không có nhiều phương tiện giao thông. Khi nhận được lưu lượng truy cập trên các dải tần 5G mới này, bạn cần loại bỏ các nguồn gây nhiễu tiềm ẩn này. Chìa khóa của hiệu suất là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và nhiễu [SINR], vì vậy bạn muốn tín hiệu cao hơn mức nhiễu nền.
Và bạn càng có tín hiệu đó ở trên tầng nhiễu thì tốc độ dữ liệu càng nhanh và trải nghiệm người dùng càng tốt. Nếu bạn không thể loại bỏ các nhiễu tiềm ẩn trong các dải tần lân cận, thì nhiễu đó sẽ làm tăng tầng nhiễu. Do đó, tín hiệu thành tiếng ồn của bạn trở nên tồi tệ hơn, có nghĩa là tốc độ dữ liệu của bạn bị giảm đáng kể, điều này cuối cùng có nghĩa là bạn không thể có được chất lượng video như mong muốn và bạn bị giảm tuổi thọ pin đáng kể vì pin của bạn đang cố gắng làm việc nhiều hơn để nhận tín hiệu.
Phần khác của 5G là tất cả về tốc độ dữ liệu và độ trễ. Nếu bạn dành nhiều thời gian để truyền lại vì chất lượng tín hiệu của bạn không tốt, thì độ trễ của bạn cũng tăng lên. Vì vậy, đó là lý do tại sao các bộ lọc rất quan trọng vì nếu bạn thực sự muốn có được trải nghiệm mà 5G hứa hẹn, bạn thực sự muốn bảo vệ băng thông đó. Verizon đã trả hơn 40 tỷ đô la cho khối C ở Mỹ và điều cuối cùng họ muốn làm là trả tất cả số tiền đó và nhận thấy trải nghiệm người dùng không có cách nào gần với những gì được dự đoán cho 5G.
Sản phẩm Điện tử: SINR làm giảm tuổi thọ pin như thế nào?
Mike Eddy: Một định lý vật lý được gọi là Định luật Shannon [Định lý công suất Shannon-Hartley] cho bạn biết loại dung lượng và tốc độ dữ liệu mà bạn có thể nhận được từ một kênh RF. Đó là một công thức rất đơn giản: đó là băng thông, số lượng đường dẫn RF trong điện thoại và số lượng ăng-ten, và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tiếng ồn.
Các thế hệ công nghệ không dây khác nhau này đang ảnh hưởng đến ba điều đó, vì vậy băng thông có nghĩa là các dải tần mới rộng hơn và tổng hợp nhiều dải tần; đó là về số lượng đường dẫn RF là số lượng ăng-ten và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tiếng ồn, có nghĩa là bảo vệ bằng các bộ lọc và đưa nguồn tín hiệu đến gần người dùng hơn. Đó là lý do tại sao với 5G, bạn nghe thấy rất nhiều về mật độ mạng và các tế bào nhỏ bởi vì bạn mang nguồn tín hiệu đó càng gần, cường độ tín hiệu càng cao, do đó, SINR - tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và nhiễu càng lớn.
Sản phẩm Điện tử: Công nghệ XBAR là gì và nó giải quyết một số thách thức 5G như thế nào?
Mike Eddy: Công cụ phần mềm của chúng tôi là một công cụ mô hình hóa phần tử hữu hạn (FEM) được gọi là Mạng tổng hợp vô hạn để phát triển các bộ lọc sóng âm phức tạp. Nếu chúng ta biết đặc tính vật liệu và kích thước vật lý thì chúng ta có thể dự đoán chính xác hiệu suất của bộ lọc. Chúng tôi đã phát triển nó cho sóng âm bề mặt (SAW), là công nghệ 3G và TC-Saw [SAW bù nhiệt độ], là một phần mở rộng của công nghệ 3G đó cho 4G.
Khoảng ba năm trước, chúng tôi đã tìm cách mở rộng nó cho công nghệ sóng âm hàng loạt (BAW) nhưng chúng tôi cũng nhận ra rằng 5G cũng sắp ra mắt. Khi xem xét 5G, chúng tôi không thể thấy công nghệ 4G BAW sẽ hoạt động như thế nào đối với những yêu cầu mới này. Vì vậy, thay vì dành thời gian cho việc đó, chúng tôi quyết định xem xét đâu sẽ là công nghệ sóng âm thanh tốt nhất cho các yêu cầu mới của 5G. Và đó là khi chúng tôi phát minh ra XBAR. Với sự giao thoa giữa công nghệ thiết kế phần mềm rất chính xác, chất nền được chế tạo và đội ngũ thiết kế tài năng của chúng tôi, chúng tôi đã phát triển XBAR, một công nghệ BAW rất khác với bất kỳ công nghệ nào đã tồn tại trước đây. Nó phù hợp với các yêu cầu xử lý băng thông rộng, tần số cao và công suất cao [của 5G].
Phần khác về tần số cao có nghĩa là các tín hiệu không lan truyền xa như các tín hiệu tần số thấp hơn, vì vậy cách để giải quyết vấn đề đó là tăng công suất. Điều đó có nghĩa là tất cả các thành phần trong chuỗi RF cần có khả năng xử lý công suất cao hơn và chúng tôi nhận thấy rằng XBAR có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu mới này.
Chúng tôi đã giới thiệu bộ lọc RF 5G [dựa trên XBAR] cho tất cả các công ty lớn trong ngành. Họ rất hào hứng với điều đó vì mọi người đều hiểu rằng các yêu cầu đang thay đổi đối với 5G. Tại Mobile World Congress 2019, chúng tôi đã giới thiệu một bộ lọc trình diễn sử dụng XBAR có tất cả các yêu cầu phù hợp cho 5G. Nó được gọi là bộ lọc n79 với băng thông 600 MHz từ 4.4 đến 5 GHz, loại bỏ các tín hiệu n77 và Wi-Fi lân cận.
Công ty chuyển đến làm việc nhanh nhất với chúng tôi là một công ty Nhật Bản - nhà sản xuất bộ lọc lớn nhất trên thế giới. Họ đã rất nhanh chóng ký một thỏa thuận đầu tư vào Resonant và cũng ký một thỏa thuận phát triển cho các bộ lọc RF sử dụng XBAR. Chúng tôi đã làm việc thông qua chương trình phát triển đó và chúng tôi đã đạt được cột mốc quan trọng thứ hai vào cuối năm ngoái. Điều này có nghĩa là chúng tôi đã đáp ứng tất cả các yêu cầu công nghệ về hiệu suất, đóng gói và độ tin cậy và họ đang chuyển [bộ lọc RF dựa trên XBAR] đó sang thương mại hóa. Chúng tôi hy vọng sẽ thấy các thiết kế của mình trong 5G, Wi-Fi và UWB như một phần của thị trường điện thoại thông minh khi chúng tôi bước vào năm 2022. [Murata đã ký thỏa thuận thương mại kéo dài nhiều năm cho XBAR vào năm 2019.]
Các đặc điểm chính của bộ cộng hưởng XBAR đáp ứng các yêu cầu 5G (Nguồn: Resonant) Nhấp để xem hình ảnh lớn hơn.
Sản phẩm Điện tử: Có điều gì khác bạn muốn bổ sung cho các kỹ sư và nhà thiết kế tham gia vào thiết kế 5G không?
Mike Eddy: Luôn có những người thông minh trong bất kỳ công ty nào và có rất nhiều kỹ thuật, IP, xưởng đúc và chế tạo kế thừa gắn liền với tất cả các công nghệ trước đó. Họ sẽ tìm cách để làm cho nó hoạt động cho 5G - băng thông rộng và tần số cao - nhưng đó luôn là một sự thỏa hiệp.
XBAR có thể bao phủ toàn bộ băng thông với một bộ lọc duy nhất. Chúng tôi đã thấy những gì các công ty khác đang làm. Họ đang thực hiện nhiều bộ lọc để che các băng thông. Điều đó sẽ hiệu quả nhưng trong thế giới XBAR, nó sẽ luôn không có tính cạnh tranh bởi vì nó sẽ lớn hơn, nó sẽ tốn kém hơn và nó sẽ có hiệu suất thấp hơn vì bạn có nhiều lỗ hơn so với một thiết bị duy nhất bao gồm toàn bộ dải tần.
Mọi người đều biết rằng vào năm 2022 và 2023, khi mạng 5G ra đời, bạn sẽ cần các bộ lọc hiệu suất cao để có được trải nghiệm 5G đó. 5G như hiện tại là làn sóng một, là một trải nghiệm tiếp thị hơn là trải nghiệm người dùng. Đó là nhà cung cấp dịch vụ nào có thể yêu cầu mạng toàn quốc đầu tiên và nhà cung cấp dịch vụ nào có thể yêu cầu hoạt động tốt nhất. Hiệu suất của 5G hiện tại ngang bằng với 4G.
Khi bạn triển khai mạng với các dải phổ mới và tần số mới và bạn bắt đầu tăng cường độ dày đặc của mạng, đó là lúc bạn sẽ thấy loại tốc độ 700 megabyte / 1 gigabit mỗi giây với độ trễ dưới 10 mili giây. Con số này so với 20-30 megabit / giây mà bạn thấy ngay bây giờ vì chúng tôi chưa triển khai mạng thực.
Sản phẩm Điện tử: Bạn có nghĩ rằng bộ lọc RF là rào cản hiệu suất cho 5G?
Mike Eddy: Ví dụ: tải xuống một bộ phim điển hình mất khoảng 25 phút ngay bây giờ trên mạng 4G thông thường hoặc mạng 5G giai đoạn đầu. Nếu bạn có triển khai 5G đầy đủ với tính năng lọc hiệu suất cao, thì thời gian theo thứ tự là 13 hoặc 14 giây.
5G rất khác so với các thế hệ di động trước đây. Nó đang mở rộng tốc độ dữ liệu đó, cắt dây và sử dụng [trường hợp] không dây cho cuộc sống hàng ngày của bạn. Sự kết hợp giữa tốc độ dữ liệu và giảm độ trễ cho phép các ứng dụng mới. Đây là lý do tại sao bạn nghe nhiều về mạng riêng, Công nghiệp 4.0, ô tô tự lái và phẫu thuật từ xa. Nó bắt đầu mở ra các ứng dụng mới vì các mục đích sử dụng hoàn toàn khác nhau có thể được dự đoán cho tốc độ dữ liệu cao và độ trễ thấp.