什么是諧振器呢？各種諧振結(jié)構(gòu)被用來(lái)構(gòu)建針對(duì)不同應(yīng)用的濾波器

為了解決Wi-Fi和5G部分的相鄰頻譜共存問(wèn)題，需要重新考慮構(gòu)成5G移動(dòng)設(shè)備中帶通濾波器的核心——諧振器。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，4G LTE網(wǎng)絡(luò)的激增、最新5G網(wǎng)絡(luò)的部署以及Wi-Fi的無(wú)處不在，正在推動(dòng)智能手機(jī)和其它移動(dòng)設(shè)備支持的射頻（RF）頻段數(shù)量急劇增加，頻譜擁擠也導(dǎo)致干擾頻率大量增加。所以，必須使用濾波器將每個(gè)頻段隔離開(kāi)，以避免互相干擾——因?yàn)檫@會(huì)耗盡電池壽命，降低數(shù)據(jù)速度并導(dǎo)致電話掉線。

圖1 在美國(guó)無(wú)線電頻譜的300 MHz至3 GHz中突出顯示的部分是應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的2 GHz頻帶

濾波器是一種選頻裝置，通過(guò)耦合基本元件或諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

那么，什么是諧振器呢？各種諧振結(jié)構(gòu)被用來(lái)構(gòu)建針對(duì)不同應(yīng)用的濾波器。表1給出常見(jiàn)的諧振器結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并比較了它們?cè)诔杀尽⑿阅?、尺寸方面的?yōu)劣。

表1 諧振器結(jié)構(gòu)類(lèi)型（成本、性能、尺寸比較）

分立式電感-電容（LC）濾波器是無(wú)源電路，其中電感器阻斷高頻信號(hào)并傳導(dǎo)低頻信號(hào)，而電容器則相反。如果將濾波功能通過(guò)印刷電路板（PCB）層壓基板中的集成無(wú)源器件（IPD）實(shí)現(xiàn)，這會(huì)顯得非常緊湊。這種類(lèi)型的濾波器具有低通帶損耗，但是它們并不能在接近頻率的范圍內(nèi)抑制潛在的干擾信號(hào)。

腔體諧振器成本高且體積大。但是，對(duì)于大功率蜂窩基站，由于它們能夠處理非常大功率的信號(hào)（數(shù)十瓦），因此它們是首選的濾波器類(lèi)型。

多層陶瓷濾波器的插入損耗非常低，但是潛在干擾信號(hào)的衰減也很差。另外，相對(duì)于IPD，這些器件體積很大，尤其是在高度方面，這限制了射頻模塊的使用。這種濾波器適用于非常高的毫米波頻帶。

從單塊陶瓷濾波器到聲波諧振器

早期的移動(dòng)電話使用單塊陶瓷（monoblock ceramic）濾波器（如圖2所示），以滿足所需的濾波性能特征。但是，與當(dāng)今的智能手機(jī)（需要多達(dá)40至50個(gè)濾波器）相比，早期功能手機(jī)所需的濾波器很少。單塊陶瓷濾波器由于尺寸較大且成本高，目前在智能手機(jī)中的使用受到很大限制。

圖2 1994年在摩托羅拉（Motorola）手機(jī)中使用的單塊陶瓷濾波器

隨著聲波諧振器的發(fā)展，現(xiàn)代手機(jī)射頻架構(gòu)以及智能手機(jī)的使用激增。這些基于壓電效應(yīng)的聲波諧振器結(jié)合了低成本、小尺寸和高性能的特點(diǎn)，適用于當(dāng)前4G/5G的智能手機(jī)頻率范圍和信號(hào)功率范圍。

表2 電磁波和聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度和波長(zhǎng)（@2GHz）

由于晶體結(jié)構(gòu)中的不對(duì)稱(chēng)性，壓電效應(yīng)存在于某些晶體中。例如，在圖3所示的鈮酸鋰（LiNbO3）晶格結(jié)構(gòu)中，鋰和鈮離子從氧八面體的中心偏移。

圖3 圖中的標(biāo)識(shí)線表示鈮酸鋰晶體結(jié)構(gòu)中的不對(duì)稱(chēng)性，從而導(dǎo)致壓電效應(yīng)

因此，當(dāng)對(duì)該晶體施加電壓時(shí)，它將產(chǎn)生機(jī)械變形，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)機(jī)械壓縮或拉伸該晶體時(shí)，情況恰恰相反。電荷在晶體結(jié)構(gòu)的相對(duì)面上形成，導(dǎo)致電流在電路中流動(dòng)。

交替的機(jī)械變形會(huì)產(chǎn)生聲波，并以每秒4000至12000米的速度傳播。根據(jù)金屬-壓電結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，聲波可引發(fā)在壓電晶體表面或體內(nèi)傳播。實(shí)際上，即使在表面聲波（SAW）和體聲波（BAW）兩大類(lèi)別中，也存在一系列具有不同特性的聲波（圖4）。

圖4 BAW和SAW聲波之間的差異

為了設(shè)計(jì)聲波濾波器，會(huì)將多個(gè)諧振器耦合在一起以形成通帶，通常采用“階梯”配置的形式。這種配置會(huì)交替使用串聯(lián)和并聯(lián)諧振器。聲波濾波器的主要特征包括：

- 帶寬指信號(hào)所占據(jù)的頻帶寬度，一個(gè)常用量是分?jǐn)?shù)帶寬（Fractional Bandwidth, FBW），因?yàn)闉V波器通帶/中心頻率的寬度表示為頻帶頻率的百分比。這與聲波諧振器的關(guān)鍵參數(shù)——耦合系數(shù)或k2有關(guān)。

- 在頻譜較低的頻率下，需要更大尺寸的諧振器；而在較高的頻率下，則諧振器尺寸變小。

- 損耗是指信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)強(qiáng)度的降低。低損耗可最大化信號(hào)效率，從而降低發(fā)射信號(hào)的信號(hào)功率，進(jìn)而延長(zhǎng)了電池壽命。

- 移動(dòng)信號(hào)的功率水平繼續(xù)上升，因?yàn)轭l率高的信號(hào)傳播距離短，并且需要更大的功率來(lái)覆蓋傳播范圍。這對(duì)濾波器提出了更高的可靠性要求。

其中許多參數(shù)是設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝的函數(shù)。但是，帶寬是諧振器的基本特性之一。對(duì)于聲波諧振器，每個(gè)獨(dú)立的諧振器都有兩個(gè)“諧振頻率”，即諧振頻率和反諧振頻率。這兩個(gè)諧振頻率間隔（以耦合系數(shù)或k2為特征）確定了最佳的濾波器帶寬。

以下是有關(guān)聲波原理的重要公式：

其中，λ是聲波波長(zhǎng)，v是波速，f是共振頻率。

其中，k2是耦合系數(shù)，fr是諧振頻率，而fa是反諧振頻率。

從諧振器到濾波器，聲波梯形濾波器的最大可實(shí)現(xiàn)帶寬受到與k2有關(guān)的諧振-反諧振頻率分離的限制。（注：聲波諧振器的頻率分離表示在其諧振頻率與反諧振頻率之間的差值。聲波諧振器的百分比分離是在其諧振頻率與反諧振頻率之間的百分比頻率分離。）

圖5 阻抗與頻率模型顯示了聲波諧振器的諧振頻率和反諧振頻率（左圖）；通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)諧振器，可以產(chǎn)生一個(gè)通帶濾波器（右圖實(shí)線）。

濾波器性能受以下因素的影響：耦合系數(shù)（較高的耦合會(huì)增加帶寬）、諧振器數(shù)量（更多的諧振器會(huì)以損耗為代價(jià)增加帶寬）、品質(zhì)因數(shù)（更高的品質(zhì)因數(shù)可降低損耗，尤其是在頻帶邊緣）、溫度穩(wěn)定性。

圖6 濾波器性能的影響因素：耦合系數(shù)（左上方）、諧振器數(shù)量（右上方）、品質(zhì)因數(shù)（左下）、溫度穩(wěn)定性（右下）。

5G濾波器

5G智能手機(jī)的關(guān)鍵應(yīng)用涉及激增的流視頻和相關(guān)流服務(wù)，例如游戲、AR/VR和視頻直播，所有這些都取決于設(shè)備的高帶寬。為了顯著提升無(wú)線寬帶的容量和速度，需要更廣泛的頻譜范圍以及可用頻譜聚合。因此，5G具有比4G更寬和更高頻率的頻譜分配。

大帶寬對(duì)于實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率至關(guān)重要。就瞬時(shí)帶寬而言，僅在3 GHz以上可用。因此，這些新頻段的濾波器要求與4G完全不同。5G需要數(shù)百兆赫茲的頻譜和3 GHz以上的頻率（而不是2 GHz左右的數(shù)十兆赫茲的頻譜），以及用于保護(hù)此帶寬的濾波器。

當(dāng)然，可以通過(guò)改進(jìn)用于3G和4G的聲波諧振器（通過(guò)摻雜壓電效應(yīng)和添加外部電感器）以增加可實(shí)現(xiàn)的帶寬。但是，這是以其它性能參數(shù)為代價(jià)的，并不可取。

傳統(tǒng)的聲波諧振器是為前幾代無(wú)線技術(shù)（2G、3G和4G）以及更窄的相關(guān)帶寬開(kāi)發(fā)的，而如今的無(wú)線技術(shù)需要新的諧振結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實(shí)際需求不斷優(yōu)化。

XBAR是一種體聲波（BAW）諧振器，不適用于較窄帶寬的濾波器，但與5G完美匹配（圖7）。我們?nèi)蕴幱?G的早期階段；由于用戶流量較低，高性能濾波尚未體現(xiàn)價(jià)值。但是，隨著越來(lái)越多的用戶采用5G，緊密接近的多個(gè)頻率將迅速引起干擾問(wèn)題。

圖7 不同的聲波諧振結(jié)構(gòu)以相應(yīng)的成本和性能展示了其對(duì)不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的適用性

5G與Wi-Fi共存

與蜂窩技術(shù)歷史上的任何其它技術(shù)不同，5G和Wi-Fi將面臨共存的挑戰(zhàn)。n77和n79 5G頻段與5 GHz Wi-Fi頻段在頻率上相鄰，幾乎沒(méi)有很好的“保護(hù)帶”將它們分開(kāi)。新的Wi-Fi 6（802.11ax）標(biāo)準(zhǔn)在n79頻段附近運(yùn)行，n79頻段又與n77頻段相鄰。

圖8 5G和Wi-Fi頻段展示

射頻產(chǎn)業(yè)研究公司Navian的一份報(bào)告總結(jié)了上述共存問(wèn)題：“Wi-Fi的5 GHz頻段對(duì)智能手機(jī)至關(guān)重要，它位于4.5 GHz和6至7 GHz頻段之間。如果要充分利用這些頻段，則每個(gè)帶寬都需要一個(gè)‘陡峭’的濾波器。同樣地，對(duì)于n77和n79 5G頻段，由于200 MHz的頻段間隙太窄而無(wú)法充分利用，因此同時(shí)需要應(yīng)用于這些頻段的高性能濾波器?！?br />
如圖9所示，n77和n79之間僅存在200 MHz的間隔，而n79和5 GHz Wi-Fi 6頻率之間僅存在150 MHz的間隔。這些頻段的濾波器需要具有較大的耦合系數(shù)和較高的品質(zhì)因數(shù)。XBAR技術(shù)可以阻止干擾信號(hào)，以減輕5G和Wi-Fi頻段之間的干擾和通過(guò)每個(gè)頻段的最大帶寬，從而防止Wi-Fi信號(hào)滲入n79數(shù)據(jù)路徑，反之亦然。

圖9 高性能濾波器被用來(lái)防止頻段間的干擾，實(shí)現(xiàn)5G和Wi-Fi頻段的共存/工作

那么，不良的濾波對(duì)5G無(wú)線速度有何影響？這將如何影響5G用戶體驗(yàn)？干擾將大大減慢5G數(shù)據(jù)吞吐量的速度，其速度將取決于干擾的程度。使用正確的5G高性能濾波器時(shí)，一個(gè)3 GB影片的下載時(shí)間為34秒，但如果沒(méi)有該濾波器，則下載時(shí)間可能會(huì)花費(fèi)20分鐘或更長(zhǎng)時(shí)間（圖10）。

圖10 展示在各種無(wú)線帶寬下3 GB文件的下載速度和時(shí)間

5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求正在推動(dòng)新一代射頻濾波器的發(fā)展，而濾波器又需要新一代的諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)高吞吐量和信號(hào)共存。聲波諧振器已成為領(lǐng)先的技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂泻线m的性能范圍，可以為5G應(yīng)用構(gòu)建最佳的濾波器。5G設(shè)備可能需要多達(dá)100顆濾波器，這對(duì)于優(yōu)化諧振器結(jié)構(gòu)以最佳匹配性能要求顯得至關(guān)重要！