uma revisão da tecnologia de filtro de radiofrequência

a chave para a seleção de sinalização é usar um filtro de radiofrequência, cuja função é permitir que os sinais da frequência desejada passem enquanto bloqueia o restante. o princípio de trabalho do filtro é gerar ressonância em uma frequência específica. pode ser comparado a um balanço no playground. para aumentar o balanço, você deve sincronizar o tempo de empurrar com a frequência do balanço do pêndulo e ressoar com a frequência do balanço. da mesma forma, um circuito ressonante corretamente projetado permitirá que os sinais da frequência correta passem enquanto suprimem outras frequências. uma medida quantitativa do semáforo que pode passar, em oposição à supressão de frequências indesejadas, é chamada de fator de qualidade do filtro (ou q). esperamos que o fator q seja o mais alto possível. de fato, um filtro não é suficiente para permitir que uma única frequência passe. os sinais passarão por uma certa faixa de frequência, que é chamada de largura de banda do filtro. os requisitos de largura de banda estreitarão ou aumentarão de acordo com o padrão sem fio servido pelo filtro. significativamente, também deve -se notar que o tamanho do filtro é proporcional ao comprimento de onda do sinal na ressonância na tecnologia celular. o filtro mais utilizado na tecnologia celular é o filtro acústico, principalmente porque eles são pequenos em tamanho e têm um alto fator q. o filtro acústico é construído em um substrato especial chamado substrato piezoelétrico (geralmente tantalato de lítio, litao3), que converte o estresse mecânico em energia elétrica e vice -versa. eles são muito compactos devido ao fenômeno da ressonância acústica nas frequências gigahertz, das quais o comprimento de onda está dentro da faixa de micrômetros, enquanto o comprimento de onda do filtro com base na ressonância eletromagnética está dentro da faixa de centímetro. diante disso, a indústria de filtros acústicos de rf experimentou um enorme boom na última década com o surgimento de comunicações móveis, e o tamanho é o principal fator determinante deste artigo, no qual estudaremos várias tecnologias de filtro de rf, incluindo novos desenvolvimentos na futura comunicação sem fio:

onda acústica de superfície tem a compensação de temperatura; onda acústica a granel (fbar, smr, cmr, xmr); filtro lc (ltcc, ipd); novos filtros para o futuro sem fio.

 

i. filtros de onda acústica de superfície (saw)

inicialmente, as frequências operacionais máximas dos telefones celulares 1g, 2g e 3g foram de aproximadamente 2 ghz. a banda gsm 2g era de 900 mhz, a banda de pcs era de 1900 mhz e a banda 1 do telefone 3g era de 2100 mhz, enquanto a banda 5 era de 850 mhz. os filtros saw podem atingir um fator de qualidade de cerca de 800 nessas frequências, o que é suficiente para as comunicações móveis. os filtros saw são implementados em substratos piezoelétricos, que possuem tiras de alumínio. as tiras de alumínio têm uma estrutura semelhante a um pente, chamada transdutores interdigitais (idt), que podem converter sinais elétricos em vibrações mecânicas, também conhecidas como ondas acústicas. essas ondas se propagam lateralmente ao longo da superfície do substrato piezoelétrico e colidem com outros idts colocados em distâncias estratégicas de ambos os lados e se recuperam. de acordo com a estrutura física desta configuração, os filtros saw têm frequências ressonantes específicas.

ressonador de onda acústica de superfície (serra)

 

à medida que as frequências de trabalho e as larguras de banda dos padrões sem fio subsequentes continuam crescendo, torna -se cada vez mais difícil fabricar filtros de serra com tamanhos estreitos de alumínio em substratos piezoelétricos e alcançar uma largura de banda de filtro superior a 100 mhz. outra questão é que o desempenho do filtro mudará com as variações de temperatura, que podem ser causadas por fatores ambientais externos ou dissipação interna de calor dentro do filtro. para superar esses problemas, são necessárias melhorias na tecnologia de filtro de serra. essas melhorias adotaram várias técnicas, que veremos no texto a seguir.

 

ii. filtro de compensação de temperatura (tc)

o coeficiente de temperatura negativo do substrato piezoelétrico é de aproximadamente -20 ppm/c a -40 ppm/c, o que significa que, à medida que a temperatura aumenta, a resposta de frequência muda para uma frequência mais baixa. os filtros da tc-saw superam o problema de deriva de temperatura usando uma das duas técnicas a seguir:

1. uma fina camada de dióxido de silício (sio2) é depositada na parte superior da estrutura idt. o coeficiente de temperatura positivo do sio2 compensa a resposta negativa do substrato piezoelétrico, alcançando efetivamente um deslocamento de frequência próximo a 0 ppm/c. no entanto, isso levará a perda de filtro adicional e modos ressonantes espúrios.

2. liga o substrato piezoelétrico com outro substrato com um coeficiente menor de expansão térmica (como safira ou dióxido de silício). mas esse método tem menos estabilidade de temperatura que o anterior.

a estabilidade da temperatura é uma característica necessária do padrão 4g lte. a banda 40 (2,3 - 2,4 ghz) quase coincide com o limite inferior de wi -fi (2.401 - 2,483 ghz), e esse fato impõe requisitos estritos à precisão do filtro. no entanto, à medida que a frequência padrão sem fio se torna cada vez maior, a largura dos eletrodos de alumínio no idt se torna menor e os filtros de serra em breve encontrarão problemas de aumento da perda e eletromigração em alta potência de transmissão. embora os pesquisadores tenham tentado várias ligas de metal para aliviar esse problema, é hora de adotar novas tecnologias atualmente.

 

iii. filtros de onda acústica a granel (baw)

os filtros da baw abordam os problemas de se estender a frequências mais altas e lidar com requisitos mais altos de energia. existem dois métodos para criar filtros de ondas acústicas que utilizam o fenômeno ressonante de materiais piezoelétricos a granel:

1. ressonador acústico em massa de filme fino (fbar)

2. ressonador de montagem na superfície (smr)

 

4. ressonador de ondas acústicas de filme fino (fbar)

o princípio de trabalho do fbar é direto e fácil de entender. consiste em materiais piezoelétricos imprensados ​​entre os eletrodos superior e inferior. quando uma tensão alternada é aplicada aos eletrodos, devido ao efeito piezoelétrico reverso, a tensão mecânica é gerada no substrato. isso resulta em ondas acústicas que refletem entre os dois eletrodos, formando um ressonador. em seguida, um filtro baw é fabricado juntando os ressonadores.

o "filme fino" no fbar refere -se aos eletrodos e substrato piezoelétrico implementado de forma suspensa em um substrato de suporte. o substrato de suporte é gravado seletivamente abaixo do material piezoelétrico para permitir a vibração livre (e a ressonância) do substrato. a interface de alta impedância acústica entre o eletrodo inferior e o ar permite que as ondas acústicas reflitam de volta ao material piezoelétrico, formando o ressonador.

ressonador acústico em massa baseado no filme (fbar)

 

com base nesse princípio de trabalho e no uso de nitreto de alumínio (aln) como material piezoelétrico, um fator q maior que 2000 pode ser alcançado dentro da faixa de 2-8 ghz, tornando-a uma escolha ideal para aplicações 4g lte/5g. o fbar pode se adaptar às mudanças de temperatura e é compatível com os processos de fundição do cmos. isso torna a comercialização da tecnologia da fbar atraente que muitas grandes empresas, como broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) e taiyo yuden, juntam -se a este campo.

o método para aumentar a frequência operacional dos filtros fbar é diminuir o substrato aln. por exemplo, reduzindo -o para 120nm, o fbar pode operar a 24 ghz. outro método para obter operação de alta frequência é usar modos ressonantes de ordem superior e ressonadores de baw (obar) supermodulados.

a desvantagem dos filtros baw é difícil de fabricar filtros com grandes larguras de banda. a largura de banda depende em grande parte das características do material piezoelétrico. para aumentar a largura de banda, os pesquisadores doparam com sucesso scandium no aln, aumentando assim a largura de banda em mais de duas vezes. materiais piezoelétricos fortes, como niobato de lítio (linbo3 ou ln), também mostraram bons resultados.

 

v. ressonador fixo (smr)

a essência do fbar está na presença de uma alta impedância entre o eletrodo e a interface de ar, permitindo que as ondas sonoras sejam refletidas de volta ao ressonador. o mesmo efeito pode ser alcançado colocando o chamado refletor de bragg acústico sob o material piezoelétrico com eletrodos superior e inferior.

o refletor acústico de bragg consiste em uma série de camadas alternadas de alta e baixa impedância (como tungstênio e dióxido de silício); portanto, cada parte da interface do sinal é refletida de volta. quanto mais camadas no refletor de bragg, maior a impedância apresentada pelo refletor devido a múltiplas reflexões. ao colocar o refletor de bragg sob o eletrodo inferior do ressonador baw, o sinal é refletido de volta ao material piezoelétrico, causando ressonância.

ressonadores de modo fixo (smr)

o filtro smr baw tem excelente desempenho. por exemplo, o qorvo relatou um filtro smr que pode lidar com 5w de potência de rf com um pico de 40w. recentemente, eles também relataram um novo tipo de filtro smr baw, que usa o operação de doping de escândio e suporta a faixa de 1 a 8 ghz, cobrindo as bandas de frequência 5g e wi-fi 6e.

 

vi. resonadores do modo de perfil (cmr) e xmr

para os filtros fbar e smr baw, apenas uma ressonância pode ser alcançada com base em sua estrutura física, o que significa que diferentes chips de filtro são necessários para cada faixa de frequência de trabalho. com o rápido aumento nas faixas de frequência celular, é necessário implementar várias bandas de frequência de trabalho em um único chip baw. o ressonador de modo de perfil (cmr) baw technology é desenvolvido para operação de várias bandas.

a estrutura física do ressonador cmr baw é uma mistura da estrutura idt usada nos filtros saw e o eletrodo inferior usado nos filtros baw. como resultado, vários modos ressonantes podem ser excitados nas direções lateral (ao longo da superfície, como serra) e longitudinal (como baw), realizando modos ressonantes simultâneos em diferentes frequências. isso permite o design de ressonadores de baw de várias bandas que podem lidar com várias faixas de frequência simultaneamente.

no fbar, smr e cmr, alcançar uma largura de banda de filtro ampla sempre foi um problema devido ao coeficiente de acoplamento limitado. para aumentar o grau de acoplamento e, assim, aumentar a largura de banda do filtro, os pesquisadores descobriram métodos para combinar vários modos de operação. em vez de projetar puramente a forma de metal do ressonador a partir de uma perspectiva geral, os pesquisadores projetam o ressonador observando sua seção transversal e modos relacionados. através do design complexo dos eletrodos do filtro baw, um novo tipo de filtro baw chamado xmr foi desenvolvido para largura de banda larga. esses filtros são muito novos, ainda em pesquisa e desenvolvimento.

 

vii. filtros de elementos integrados

quando entramos na era 5g radio (nr), a largura de banda das bandas de frequência n77-n79 é dez vezes maior que a das gerações anteriores. devido ao acoplamento relativamente baixo através de materiais piezoelétricos, as tecnologias saw e baw sempre tiveram o problema da largura de banda excessiva. para resolver esse problema, os smartphones 5g de hoje geralmente usam filtros lc de elementos integrados. os indutores (l) e os capacitores (c) são implementados em substratos de várias camadas, como cerâmica co-devida de baixa temperatura (ltcc) ou dispositivos passivos integrados (ipd). os valores q desses dispositivos passivos no substrato não são altos. portanto, esses filtros não têm boa seletividade. isso ainda pode ser tolerado por dois motivos:

1. a ocupação das bandas de frequência 5g ainda não é tão densa quanto a das gerações anteriores; portanto, a menor seletividade do filtro pode ser aceitável.

2. a largura de largura de banda de filtro exigida por 5g pode ser alcançada. como saw/baw não tem um bom desempenho neste caso de uso, não há outra opção.

a principal desvantagem de criar filtros do ltcc é que a implementação de elementos passivos usando um método de várias camadas resulta em uma espessura geral muito grande e não é adequada para smartphones modernos finos. além disso, a baixa tolerância no processo de fabricação não pode trazer boas taxas de rendimento.

o ipd é uma tecnologia mais avançada, especialmente quando implementada em substratos de vidro. a tolerância à fabricação é mais rigorosa, a espessura é menor e os capacitores de metal-isolador-metal (mim) de alta densidade podem ser alcançados, permitindo assim filtros mais compactos e mais estritamente controlados. se o ipd gaas for usado, é possível integrar o filtro ao circuito ativo. no entanto, com o aumento das tecnologias celulares wifi 7 e 6g, o valor de q limitado e a baixa seletividade se tornarão problemas no futuro. filtros mais complexos serão necessários no futuro.

 

viii. outlook para o futuro

ainda existem muitos métodos inovadores a serem estudados e explorados no futuro da tecnologia de filtro de rf. ainda estamos longe de alcançar todos os objetivos. no entanto, aqui estão alguns avanços interessantes. saw ultra-high personecial (ihp): murata demonstrou um filtro de serra com um valor q superior a 4000 (mais de 4 vezes maior que a serra comum) e a frequência operacional em 5 ghz. atualmente, várias combinações de substratos de suporte e materiais piezoelétricos estão sendo estudados para romper os limites de desempenho.

xbar: resonant inc. foi adquirido por murata em 2022, que possui tecnologia xbar proprietária (uma combinação única de tecnologias saw e fbar baw) e espera -se fornecer filtros acústicos para aplicações de 5g nr (incluindo a banda de frequência n79).

xbaw: akoustis é outra empresa que promete fornecer filtros acústicos de banda larga de alto desempenho para as tecnologias wifi 5g e modernas. eles desenvolvem sua tecnologia proprietária usando filmes aln de cristal único com melhores propriedades piezoelétricas do que os filmes policristalinos aln.

híbrido: os futuros filtros de rf podem adotar uma combinação de filtros acústicos cuidadosamente projetados e filtros de lc para obter um efeito em que todos ganham. a pesquisa publicada indica que a largura de banda é de 900 mhz (3,3 - 4,2 ghz) e, a 4,4 ghz (banda n79), fornece 36 db de supressão, com apenas uma diferença de 200 mhz, que definitivamente tem uma perspectiva brilhante.