本文授權轉載來源刊登於 Semiengineering.com 網站文章《The Search For 5G MmWave Filters》
新的選擇有很多，但到目前為止還沒有明確的贏家。
蜂巢式電話技術利用大量的頻帶，為移動用途提供不斷增加的頻寬。其中的每一個頻帶都需要透過濾波器將訊號與其他頻帶分開，但目前用於手機的濾波器技術可能無法擴展到 5G 所規劃的全部毫米波 (mmWave) 範圍。
「毫米波時代終究會到來，但不是現在」，Resonant 企業發展部副總裁 Mike Eddy 表示，「地球探測衛星服務的頻率是 23.8GHz，僅僅略低於為 5G 部署的毫米波頻段，所以必須對其進行有效的過濾。」
到目前為止，這一切並沒有發生。FormFactor 射頻部門業務發展總監 Anthony Lord 表示：「表面聲波 (Surface acoustic wave ，SAW) 元件或體聲波 (Bulk acoustic wave ，BAW) 元件的頻率不會超過 10GHz。」
其中也有一項挑戰。「這些濾波器中沒有一個可以在毫米級範圍內工作，它們最高僅可以達到 6GHz 或 8GHz」，FormFactor 射頻產品組的資深行銷總監 Tim Cleary 表示，「對此，業界還沒找到有效的解決方案。」
在目前的手機產品中，最常使用的是 SAW 和 BAW 濾波器。雖然隨著進一步的改進，它們可能會在一定程度上超過 6GHz 的範圍，但距離毫米波設計針對的 28GHz 至 70GHz 範圍仍有一些差距。儘管目前對於空間限制較小的設備，有相應的解決方案，但這些解決方案並不適用於手機。因此，這一領域仍需大力發展。
頻帶數量急劇增長
隨著新的手機技術相繼問世，更多的頻帶被開放使用。術語「頻帶」可以有不同的含義，因為寬頻帶是進行分配和拍賣的，而單個通道指的是寬頻帶的子集。
小頻帶的數量正在急劇增加。對於利用頻分雙工 (Frequency-domain duplexing , FDD) 的通道，有兩個相鄰的子頻帶 (一個用於發射，一個用於接收) 被一個小間隙隔開，以防止干擾。當使用時域雙工 (Time-domain duplexing，TDD) 時，整個通道就只有一個單頻帶。
這些頻帶或子頻帶中的每一個都需要一個帶通濾波器。隨著頻帶的數量激增，所需的濾波器數量也呈爆炸式增長。如今的手機可能會搭載超過 60 個濾波器。5G 技術只會讓這個數字有增無減，從而為毫米波頻帶增加非常高的頻率。
理論上，一個帶通濾波器會讓該頻帶內的所有訊號通過，並拒絕該頻帶外的所有頻率。我們可以簡單地認為，它是將頻帶內的訊號乘以 1，頻段外的訊號乘以 0。然而，實際應用中的濾波器效果並不理想，帶來了更多挑戰。
濾波器的功能
現實中的濾波器，並不是在頻帶邊緣「戛然而止」，相反，頻帶邊緣呈弧狀，衰減是傾斜的而不是垂直的。中心頻率、上限和下限的截止頻率是濾波器的關鍵屬性，截止頻率是訊號通過能力下降 3dB 的點 (對應於訊號功率下降一半的點) 。超過 3dB 衰減的斜率通常稱為下擺 (skirt)，下降趨勢需要做到非常陡峭。
雖然單獨設計這三個頻率 (中心、上限和下限) 可能是個好辦法，但在現實中，上限和下限截止頻率會一起移動，以便設計中心頻率和整體寬度，後者跟著中心頻率一起移動。而寬度通常就是中心頻率的百分比。
設計更寬的通帶可能是一項更大的挑戰，一些 5G 頻帶的寬度可以達到中心頻率的 20%。這給濾波器的設計帶來了很大的壓力。
圖 1：簡化的帶通濾波器，顯示了中心頻率 (f0)、通帶的下限 (fL) 和通帶的上限 (fH)。通帶的寬度為 B。來源：Inductiveload - Own work, Public Domain
在接收器的前端，需要儘早過濾掉散雜訊號，防止其進入射頻鏈。這意味著在訊號離開天線之後就進行過濾。利用支援波束轉向的大規模多輸入 / 多輸出 (multiple-in / multiple-out ，MIMO) 技術，可以使用天線元件陣列。在這種情況下，每個元件都需要一個濾波器。
「如今的元件間距是基於毫米波的間距，也就是說間距大約是 5 毫」，Eddy 表示，「所以必須要適應這個間距。」目前，這對毫米波來說是不可能的，所以最終都是在訊號通過混頻器之後進行過濾。
基站的空間充足，能夠容納尺寸較大的濾波器，但手機對尺寸有苛刻的要求。在可預見的未來，小型濾波器的最佳頻率可能是 28GHz，因為這是手機可能使用的毫米波頻率。更高的頻率更有可能用於塔與塔之間的通信，因為這些系統不像手機那樣受空間限制。
「對於基站之類的使用場景，我們將依賴陶瓷介質濾波器和金屬腔體濾波器」， Cadence 的 AWR 軟體技術行銷總監 David Vye 表示，「只不過它們永遠無法滿足移動設備內部的空間要求。」
在早期，28 GHz (或相近) 頻帶的濾波需求更加寬鬆。「最初幾年我們常常聽到，手機中不會有任何毫米波濾波器」，3D Glass 首席技術官 Jeb Flemming 表示，「因為那時候還不會分解頻段，主要使用天線進行濾波。」
既然如此，將天線做為一個濾波器可大致滿足需求，但在某些時候，我們需要為天線元件準備真正的濾波器。那麼，這些毫米波濾波器究竟如何製造？
現有的濾波器技術
當今手機中的大多數濾波器都使用聲波技術，其中涉及到壓電材料，它們在電場影響下會發生輕微變形，物理變形後會產生電場。因此，電訊號可以轉換為機械振動，機械振動也可以轉換為電訊號。這些機械振動相當於晶體內的聲波。
透過建立一種聲學共振結構，可以將輸入訊號施加到諧振器的一端。該輸入訊號由許多不同頻率的訊號組成——有些是用於其他頻段的訊號，而有些則是環境雜訊。濾波器的首要任務是消除通帶之外的任何訊號。
通帶內的訊號頻率分量將引起聲學共振，接著聲波濾波器檢測到這些聲學共振，並將其轉換回濾波器另一端的電域。理想情況下，該輸出將由輸入訊號組成，訊號中所有不需要的頻率都被清除。
這些聲波濾波器有很多優點，包括通帶乾淨、尺寸非常小和有利的成本結構，大批量生產也可降低成本。
在較低頻率下， SAW 濾波器占主導地位。使用這些濾波器時，材料表面的波被激發，並耦合到同一表面附近的輸出端。
圖 2：一個簡化的 SAW 濾波器。來源：Matthias Buchmeier — Own work, Public Domain
對於更高的頻率，BAW 濾波器則占主導地位。與低頻率下的 SAW 相反，BAW 不是在材料表面激發波，而是利用大量材料從頂部到底部產生共振，輸出電極位於下方。這需要更複雜的處理，因此它們的價格往往比 SAW 濾波器更昂貴。
圖 3：一個簡化的獨立式 BAW (FBAR) 濾波器。來源：Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0
BAW 濾波器有兩種基本版本，區別在於內部駐波的設置方式。一個版本需要從底部到頂部進行反射，並且使用獨立式諧振器 BAW (FBAR) 濾波器和空氣腔完成這項工作。
另一個版本使用一系列看起來像聲學鏡 (類似於光的布拉格反射器) 的層，被稱為固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。
圖 4：一個簡化的固體安裝諧振器 (SMR) BAW 濾波器。來源：Khpsoi — Own work, CC BY-SA 4.0
SAW 和 BAW 濾波器都是使用 MEMS 加工技術製造而成，但它們似乎在更高的頻率下會開始失效，這表明業界可能需要為毫米波頻段尋找新的濾波器。
毫米波濾波器的選擇
毫米波無線電訊號並不是新鮮事物。例如，雷達和微波裝置已經在使用它們，但這些往往是只能處理一兩個頻率的大型裝置。對於 5G，必須對更多頻段進行更加精細的過濾，而且要能把它們安裝到手機中。
SAW 和 BAW 已經不被納入考慮範圍，但 Resonant 公司擁有 XBAR 技術，並聲稱該技術可以擴大聲學技術的可用範圍。該公司從頭開始重新設計 BAW 濾波器，使用了不同的壓電材料——鈮酸鋰 (lithium niobate)，並將兩個觸點都放在頂端上，類似於 SAW。
但是，它與 SAW 的主要區別在於，使用 XBAR 時，觸點不會有物理上的移動。「使用 SAW，金屬棒會進行物理移動，也就意味著它們在金屬遷移過程中失去了動力。」Eddy 指出。
圖 5：2019 年 世界移動通信大會 (MWC) 上展示的 XBAR 原型，中間的小方塊是篩檢程式。資料來源：Resonant
「當我們對這種結構進行建模時，XBAR 提供了 5G 所需的能量、頻寬和功率處理能力——尤其是當我們專注於 3 至 5 GHz 時」，Eddy 表示，「現在我們正在研究 5 到 7.1 GHz 的 WiFi，然後是 7 到 9 GHz 的超寬頻。該模型可以用於毫米波嗎？我們認為可以。」
XBAR 濾波器看起來很有前景，重點在於，它代表了在這個頻率範圍內的一種新方法。其他兩種眾所周知的毫米波濾波器技術是波導和腔體濾波器。但與使用聲波的 SAW 和 BAW 濾波器不同，它們使用電磁波進行共振，二者都有廣泛的結構選擇，通常用於微波應用。
這些諧振器的尺寸通常根據頻率範圍而定，尺寸或間距在四分之一波長範圍內。頻率越高，波長越短，濾波器越小。對於 5G 頻率，諧振器的尺寸在縮小——但仍然不能夠裝入手機。
「有一種成為『波導腔』的介質，它的高度和寬度決定了可以透過它傳播的能量」Cadence 的 Vye 表示，「低於該頻率，能量不會傳播，高於某個頻率，就會出現調製問題。」
諧振器 (通常作為柱子來實現) 的使用有助於減少不必要的模式。「波導腔濾波器內部有一些柱子」， Vye 表示，「它的作用與陶瓷濾波器相同，特性是根據柱子的尺寸，在特定頻率下停止或傳遞能量。諧振器之間的物理尺寸將影響頻寬，而諧振器的數量會影響衰減，即濾波器越多，衰減越快。但這樣一來，就增加了濾波器的長度，也增加了篩檢程式的材料成本。」
圖 6：一個使用柱子作為諧振器的簡化波導濾波器。來源：維基百科用戶 SpinningSpark
對基站而言，由於可以容納更大的尺寸，該技術是適合的；但對於手機而言，這種濾波器的尺寸依然太大。
微帶濾波器是頻率高達 30 GHz 時的另一種選擇。透過這種設計，在 PCB 上創建微帶線以支援電磁共振。不過依然存在製造差異問題，而且 PCB 材料普遍被認為品質欠佳。
「PCB 的厚度變化、材料介電常數的變化、印刷時線寬的變化以及溫度，都會改變通帶頻率」，Eddy 表示。
此外還有其他選擇可供考慮。「材料特性確實會推動性能表現，但市場上的材料屈指可數，」Flemming 表示，「這些 Q 值非常高的共振陶瓷材料很特殊，通常價格更高。一直以來，多層陶瓷帽 (multi-layer ceramic caps，MLCC) 是一種合理的材料，但它們在 25 GHz 左右開始失效。」
整合基板的波導
毫米波頻率的波長較短，因此在矽或其他材料中製作波導成為可能。「這幾乎就像 MEMS，因為正在創建這些通道，微波訊號可以透過蝕刻區然後在矽晶片上進行金屬化。」Vye 解釋道。
3D Glass 透過光刻工藝在玻璃而非矽中製作波導，透過暴露在紫外線下選擇性地將非晶玻璃轉化為晶體。被轉化的結晶玻璃 (實際上是陶瓷) 更適合蝕刻，更便於創建通孔特徵。
「陶瓷在酸中的蝕刻速度比玻璃快 60 倍」，Flemming 表示，「我們可以製作空腔，但採用的是定時蝕刻，因為這種陶瓷層有玻璃貫穿其中。」
可以透過這種方式製造電感器等結構，也可以用這種方式創建帶有諧振器的腔，用於毫米波濾波。「如果將金屬線用作諧振器，且幾乎蝕刻掉所有玻璃」，Flemming 表示，「那麼諧振器大部分都將漂浮在空中。由於 5G 毫米波的限制因素是材料，所以如果能去除材料，並使其在空中漂浮且堅固耐用，就算是成功了。懸浮的帶狀線可以達到 40 到 50 GHz 左右，而我們展示了 10% 到 15% 的頻寬，這是相當廣泛的範圍。」
這些充滿空氣的空腔可以延伸到更高的回程頻率。「我們正在 70 到 150 GHz 範圍內進行大量的客戶開發」，他指出，「有人稱之為 5G，有人稱之為 6G。」
過去的濾波器設計涉及多種製造環節以優化性能，但是變數太多，要求也很嚴格，不過現在我們可以使用模擬工具，以便在構建濾波器之前對其結構進行優化。
這有助於解決細節問題，因為細節很重要。「如何封裝以及如何連接到電路的其他部分非常重要」 Cadence 的 Vye 表示，「人們放棄了對設計進行經驗測試，依賴 EM (電磁模擬) 技術來進行設計。」
Cadence 此前與 3D Glass 合作，使用 AWR® Microwave Office® 進行設計和模擬，所以非常熟悉 3D Glass 的工作。「在一個損耗非常低的結構內有金屬諧振器，這個結構透過小玻璃基座懸浮在空中，形成非常小的濾波器——儘管並不像聲波濾波器那樣小。」Cadence 的 Vye 表示。
結論
玻璃工藝的經濟性十分誘人。考慮到對體積的需求，可以使用面板代替晶圓。一個 9'x9' 面板可以裝下很多濾波器，因此，雖然如今的工作是在 6 英寸和 8 英寸晶圓上進行，而且一些客戶希望轉向 12 英寸晶圓，但他們看到了一條降低成本的清晰路徑。
雖然還有一些令人興奮的可能性即將出現，但這些可能性還沒有準備好進行商業生產，在濾波器技術領域尚未出現真正的贏家。5G 手機中的毫米波尚未完全實現，因此還有一些時間。但值得注意的是，業界目前面臨的問題是制定一個可靠的計畫和路線圖，而不是一些可能奏效的想法。
文中提到的 AWR Microwave Office 軟體 深受領先製造商信賴，用於加速高頻電子產品的開發。該軟體擁有直觀的介面、創新的設計自動化和強大的諧波平衡電路模擬功能，可提高工程效率並加快設計週期。
歡迎點擊 AWR Design Environment 產品手冊，免費下載了解更多！
歡迎關注 Graser 社群，即時掌握最新技術應用資訊
