5G 毫米波滤波器的最优选择是什么？
新的选择有很多，但到目前为止还没有明确的赢家。
蜂窝电话技术利用大量的带带，为移动用途提供不断增加的带宽。 其中的每一个频带都需要透过滤波器将信号与其他频带分开，但目前用于手机的滤波器技术可能无法扩展到5G所规划的全部毫米波（mmWave）范围。
「毫米波时代终究会到来，但不是现在」，Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy 表示，「地球探测卫星服务的频率是 23.8GHz，仅仅略低于为 5G 部署的毫米波频段，所以必须对其进行有效的过滤。 」
到目前为止，这一切并没有发生。 FormFactor 射频部门业务发展总监 Anthony Lord 表示：「表面声波 （Surface acoustic wave ，SAW） 组件或体声波 （Bulk acoustic wave ，BAW） 组件的频率不会超过 10GHz。 」
其中也有一项挑战。 「这些滤波器中没有一个可以在毫米级范围内工作，它们最高仅可以达到 6GHz 或 8GHz」，FormFactor 射频产品组的资深营销总监 Tim Cleary 表示，「对此，业界还没找到有效的解决方案。 」
在目前的手机产品中，最常使用的是SAW和BAW滤波器。 虽然随着进一步的改进，它们可能会在一定程度上超过6GHz的范围，但距离毫米波设计针对的28GHz至70GHz范围仍有一些差距。 尽管目前对于空间限制较小的设备，有相应的解决方案，但这些解决方案并不适用于手机。 因此，这一领域仍需大力发展。
频带数量急剧增长
随着新的手机技术相继问世，更多的频带被开放使用。 术语「频带」可以有不同的含义，因为宽带带是进行分配和拍卖的，而单个通道指的是宽带带的子集。
小频带的数量正在急剧增加。 对于利用频分双工 （Frequency-domain duplexing ， FDD） 的通道，有两个相邻的子频带 （一个用于发射，一个用于接收） 被一个小间隙隔开，以防止干扰。 当使用时域双工 （Time-domain duplexing，TDD） 时，整个通道就只有一个单频带。
这些频带或子频带中的每一个都需要一个带通滤波器。 随着频带的数量激增，所需的滤波器数量也呈爆炸式增长。 如今的手机可能会搭载超过60个滤波器。 5G 技术只会让这个数字有增无减，从而为毫米波频带增加非常高的频率。
理论上，一个带通滤波器会让该频带内的所有信号通过，并拒绝该频带外的所有频率。 我们可以简单地认为，它是将频带内的信号乘以1，频段外的信号乘以0。 然而，实际应用中的滤波器效果并不理想，带来了更多挑战。
滤波器的功能
现实中的滤波器，并不是在频带边缘戛然而止，相反，频带边缘呈弧状，衰减是倾斜的而不是垂直的。 中心频率、上限和下限的截止频率是滤波器的关键属性，截止频率是信号通过能力下降 3dB 的点（ 对应于信号功率下降一半的点） 。 超过 3dB 衰减的斜率通常称为下摆 （skirt），下降趋势需要做到非常陡峭。
虽然单独设计这三个频率 （中心、上限和下限） 可能是个好办法，但在现实中，上限和下限截止频率会一起移动，以便设计中心频率和整体宽度，后者跟着中心频率一起移动。 而宽度通常就是中心频率的百分比。
设计更宽的通带可能是一项更大的挑战，一些 5G 带带的宽度可以达到中心频率的 20%。 这给滤波器的设计带来了很大的压力。
图 1：简化的带通滤波器，显示了中心频率 （f0）、通带的下限 （fL） 和通带的上限 （fH）。 通带的宽度为 B。 来源：Inductiveload - Own work， Public Domain
在接收器的前端，需要尽早过滤掉散噪声号，防止其进入射频链。 这意味着在信号离开天线之后就进行过滤。 利用支持波束转向的大规模多输入/多输出（multiple-in / multiple-out，MIMO）技术，可以使用天线组件阵列。 在这种情况下，每个组件都需要一个滤波器。
「如今的元件间距是基于毫米波的间距，也就是说间距大约是 5 毫」，Eddy 表示，「所以必须要适应这个间距。」目前，这对毫米波来说是不可能的，所以最终都是在讯号通过混频器之后进行过滤。
基站的空间充足，能够容纳尺寸较大的滤波器，但手机对尺寸有苛刻的要求。 在可预见的未来，小型滤波器的最佳频率可能是28GHz，因为这是手机可能使用的毫米波频率。 更高的频率更有可能用于塔与塔之间的通信，因为这些系统不像手机那样受空间限制。
「对于基站之类的使用场景，我们将依赖陶瓷介质滤波器和金属腔体滤波器」， Cadence 的 AWR 软件技术营销总监 David Vye 表示，「只不过它们永远无法满足移动设备内部的空间要求。」
在早期，28 GHz （或相近） 频带的滤波需求更加宽松。 「最初几年我们常常听到，手机中不会有任何毫米波滤波器」，3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming 表示，「因为那时候还不会分解频段，主要使用天线进行滤波。」
既然如此，将天线做为一个滤波器可大致满足需求，但在某些时候，我们需要为天线组件准备真正的滤波器。 那么，这些毫米波滤波器究竟如何制造？
现有的滤波器技术
当今手机中的大多数滤波器都使用声波技术，其中涉及到压电材料，它们在电场影响下会发生轻微变形，物理变形后会产生电场。 因此，电讯号可以转换为机械振动，机械振动也可以转换为电讯号。 这些机械振动相当于晶体内的声波。
透过建立一种声学共振结构，可以将输入讯号施加到谐振器的一端。 该输入信号由许多不同频率的信号组成——有些是用于其他频段的信号，而有些则是环境噪声。 滤波器的首要任务是消除通带之外的任何讯号。
通带内的信号频率分量将引起声学共振，接着声波滤波器检测到这些声学共振，并将其转换回滤波器另一端的电域。 理想情况下，该输出将由输入信号组成，信号中所有不需要的频率都被清除。
这些声波滤波器有很多优点，包括通带干净、尺寸非常小和有利的成本结构，大批量生产也可降低成本。
在较低频率下， SAW 滤波器占主导地位。 使用这些滤波器时，材料表面的波被激发，并耦合到同一表面附近的输出端。
图 2：一个简化的 SAW 滤波器。 来源：Matthias Buchmeier — Own work， Public Domain
对于更高的频率，BAW 滤波器则占主导地位。 与低频率下的SAW相反，BAW不是在材料表面激发波，而是利用大量材料从顶部到底部产生共振，输出电极位于下方。 这需要更复杂的处理，因此它们的价格往往比SAW滤波器更昂贵。
图 3：一个简化的独立式 BAW （FBAR） 滤波器。 来源：Khpsoi — Own work， CC BY-SA 4.0
BAW 滤波器有两种基本版本，区别在于内部驻波的设置方式。 一个版本需要从底部到顶部进行反射，并且使用独立式谐振器 BAW （FBAR） 滤波器和空气腔完成这项工作。
另一个版本使用一系列看起来像声学镜（类似于光的布拉格反射器）的层，被称为固体安装谐振器（SMR）BAW 滤波器。
图 4：一个简化的固体安装谐振器 （SMR） BAW 滤波器。 来源：Khpsoi — Own work， CC BY-SA 4.0
SAW 和 BAW 滤波器都是使用 MEMS 加工技术制造而成，但它们似乎在更高的频率下会开始失效，这表明业界可能需要为毫米波频段寻找新的滤波器。
毫米波滤波器的选择
毫米波无线电讯号并不是新鲜事物。 例如，雷达和微波装置已经在使用它们，但这些往往是只能处理一两个频率的大型装置。 对于 5G，必须对更多频段进行更加精细的过滤，而且要能把它们安装到手机中。
SAW 和 BAW 已经不被纳入考虑范围，但 Resonant 公司拥有 XBAR 技术，并声称该技术可以扩大声学技术的可用范围。 该公司从头开始重新设计 BAW 滤波器，使用了不同的压电材料——铌酸锂 （lithium niobate），并将两个触点都放在顶端上，类似于 SAW。
但是，它与SAW的主要区别在于，使用XBAR时，触点不会有物理上的移动。 「使用 SAW，金属棒会进行物理移动，也就意味着它们在金属迁移过程中失去了动力。」Eddy 指出。
图 5：2019 年 世界移动通信大会 （MWC） 上展示的 XBAR 原型，中间的小方块是过滤器。 资料来源：Resonant
「当我们对这种结构进行建模时，XBAR提供了5G所需的能量、带宽和功率处理能力——尤其是当我们专注于3至5 GHz时」，Eddy表示，「现在我们正在研究5到7.1 GHz的WiFi，然后是7到9 GHz的超宽频。 该模型可以用于毫米波吗？ 我们认为可以。」
XBAR 滤波器看起来很有前景，重点在于，它代表了在这个频率范围内的一种新方法。 其他两种众所周知的毫米波滤波器技术是波导和腔体滤波器。 但与使用声波的SAW和BAW滤波器不同，它们使用电磁波进行共振，二者都有广泛的结构选择，通常用于微波应用。
这些谐振器的尺寸通常根据频率范围而定，尺寸或间距在四分之一波长范围内。 频率越高，波长越短，滤波器越小。 对于 5G 频率，谐振器的尺寸在缩小——但仍然不能够装入手机。
「有一种成为『波导腔』的介质，它的高度和宽度决定了可以通过它传播的能量」Cadence 的 Vye 表示，「低于该频率，能量不会传播，高于某个频率，就会出现调制问题。」
谐振器（通常作为柱子来实现）的使用有助于减少不必要的模式。 「波导腔滤波器内部有一些柱子」， Vye 表示，「它的作用与陶瓷滤波器相同，特性是根据柱子的尺寸，在特定频率下停止或传递能量。 谐振器之间的物理尺寸将影响带宽，而谐振器的数量会影响衰减，即滤波器越多，衰减越快。 但这样一来，就增加了滤波器的长度，也增加了过滤器的材料成本。」
图 6：一个使用柱子作为谐振器的简化波导滤波器。 来源：维基百科用户 SpinningSpark
对基站而言，由于可以容纳更大的尺寸，该技术是适合的; 但对于手机而言，这种滤波器的尺寸依然太大。
微带滤波器是频率高达 30 GHz 时的另一种选择。 透过这种设计，在PCB上创建微带线以支持电磁共振。 不过依然存在制造差异问题，而且PCB材料普遍被认为质量欠佳。
「PCB 的厚度变化、材料介电常数的变化、印刷时线宽的变化以及温度，都会改变通带频率」，Eddy 表示。
此外还有其他选择可供考虑。 「材料特性确实会推动性能表现，但市场上的材料屈指可数，」Flemming 表示，「这些 Q 值非常高的共振陶瓷材料很特殊，通常价格更高。 一直以来，多层陶瓷帽（multi-layer ceramic caps，MLCC）是一种合理的材料，但它们在25GHz左右开始失效。」
整合基板的波导
毫米波频率的波长较短，因此在硅或其他材料中制作波导成为可能。 「这几乎就像MEMS，因为正在创建这些通道，微波讯号可以通过蚀刻区然后在硅芯片上进行金属化。」Vye 解释道。
3D Glass 透过光刻工艺在玻璃而非硅中制作波导，透过暴露在紫外线下选择性地将非晶玻璃转化为晶体。 被转化的结晶玻璃（实际上是陶瓷）更适合蚀刻，更便于创建通孔特征。
「陶瓷在酸中的蚀刻速度比玻璃快 60 倍」，Flemming 表示，「我们可以制作空腔，但采用的是定时蚀刻，因为这种陶瓷层有玻璃贯穿其中。」
可以通过这种方式制造电感器等结构，也可以用这种方式创建带有谐振器的腔，用于毫米波滤波。 「如果将金属线用作谐振器，且几乎蚀刻掉所有玻璃」，Flemming表示，「那麽谐振器大部分都将漂浮在空中。 由于 5G 毫米波的限制因素是材料，所以如果能去除材料，并使其在空中漂浮且坚固耐用，就算是成功了。 悬浮的带状线可以达到40到50 GHz左右，而我们展示了10%到15%的带宽，这是相当广泛的范围。」
这些充满空气的空腔可以延伸到更高的回程频率。 「我们正在70到150 GHz范围内进行大量的客户开发」，他指出，「有人称之为5G，有人称之为6G。」
过去的滤波器设计涉及多种制造环节以优化性能，但是变量太多，要求也很严格，不过现在我们可以使用模拟工具，以便在构建滤波器之前对其结构进行优化。
这有助于解决细节问题，因为细节很重要。 「如何封装以及如何连接到电路的其他部分非常重要」 Cadence 的 Vye 表示，「人们放弃了对设计进行经验测试，依赖 EM （电磁仿真） 技术来进行设计。」
Cadence 此前与 3D Glass 合作，使用 AWR Microwave Office 进行设计和模拟，所以非常熟悉 3D Glass 的工作。 「在一个损耗非常低的结构内有金属谐振器，这个结构透过小玻璃基座悬浮在空中，形成非常小的滤波器——尽管并不像声波滤波器那样小。」Cadence 的 Vye 表示。®®
结论
玻璃工艺的经济性十分诱人。 考虑到对体积的需求，可以使用面板代替晶圆。 一个9'x9'面板可以装下很多滤波器，因此，虽然如今的工作是在6英寸和8英寸晶圆上进行，而且一些客户希望转向12英寸晶圆，但他们看到了一条降低成本的清晰路径。
虽然还有一些令人兴奋的可能性即将出现，但这些可能性还没有准备好进行商业生产，在滤波器技术领域尚未出现真正的赢家。 5G 手机中的毫米波尚未完全实现，因此还有一些时间。 但值得注意的是，业界目前面临的问题是制定一个可靠的计划和路线图，而不是一些可能奏效的想法。
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