高性能射频滤波器将确保5G的落地

为何需要有效分隔5G频谱

为了谨慎起见,美国联邦航空管理局(FAA)上个月以安全问题为由,强制推迟部署此前已被另一个政府机构,联邦通信委员会(FCC)拍卖给无线运营商备受期待的5G中频新频谱。导致这场政府间冲突尴尬局面的原因是新的C波段5G频谱处于3.7GHz和4GHz之间,靠近航空业用于无线电测高的4.2GHz到4. 4GHz。尽管两频谱之间有着200MHz以上的间隔,但FAA并不确信所有的射频 (RF)干扰可能性已被排除。FAA的不信任来自航空设备、5G网络以及手机中射频滤波器的性能表现。  目前手机射频滤波器的性能还不足以消除对中/高频段间无线电干扰的所有疑虑,对于5G手机制造商而言,中/高频段也是最近新引入的. 由这场风波作为引子,我们5G射频前端技术系列博客的第三篇将讨论高性能滤波器在激发5G通信潜能中所扮演的角色。

与之前的无线通信标准相比;5G最大的区别是其投入使用庞大的无线频谱数量(更多细节,请参阅我们系列博客的第一篇);更宽的无线带宽以及同时使用更多的无线频谱以达到更快的数据传输和更好的移动体验–简单明了。为了利用为5G通信开放的所有无线频谱,手机制造商必须考虑重构5G设备的无线前端设计。令问题更加复杂的是,5G手机必须接收大量离散的无线频率以实现其惊人的数据传输速率和用户体验。从数百MHz的低频到几GHz区间(通常被称为Sub-6Ghz) ,5G手机不得不提升其射频前端设计的接收范围、性能和整体表现以适应大量的频谱资产。

点贊微声射频滤波器

当我们都能随身携带一部轻松放进衣袋的手机时,往往会忽视的一个事实是:在发明微声滤波器之前,移动射频设计依赖于庞大笨重的元器件,导致手机同样庞大笨重。微型声学滤波器是一种薄膜或块状的声学压电谐振器,它将射频信号输入转换为声波后再反向转换,即可隔离出特定的频率,因此可用作手机射频前端的射频滤波器以约束频率在特定的授权频谱内。可调谐特性和较小的物理尺寸使声学谐振器在过去30年中成为在手机设计中完美的滤波器解决方案。

从3G到4G,再到如今的5G时代,微声滤波器已发展多年。3G时代主要使用2GHz及以下频率时,声表面波(SAW)声学谐振器足以作为射频前端的滤波元器件。进入4G时代后,随着可寻址频谱的增加,频率上升到2.5GHz以上,基于体声波(BAW)的滤波器作为更先进的行业解决方案横空出世。

进入5G时代,3GHz至7GHz的频率应用已然来临。当前的微声滤波器技术的设计正被推到极限。截止目前,手机制造商和射频元件供应商仍在第一代和第二代5G射频设计中使用LTE时代基于BAW的滤波器设计。然而,LTE时代的微声滤波器的性能表现并不是针对5G更高的频率、陡峭的过滤性能和更高的带宽而设计。回顾FAA和美国推出5G n77频段的案例,当前的5G滤波器还没有证明自身性能足够精确,可以断然消除挥之不去的任何潜在射频干扰的担忧。因此,这种不确定性迫使FAA介入,对5G 新的n77频段与航空测高雷达的和谐共存表示怀疑而提出反对部署意见。

了解高性能微声滤波器

随着全球运营商热衷于利用2.7GHz到5GHz更大频率范围的频谱,从而对射频元器件行业提出一个能适用于成熟5G市场的解决方案的新需求。射频元器件行业需要一个相比现有微声滤波器设计而言的高性能版本。就像专业运动员与普通业余选手的成绩之间的差异一样,对高性能5G滤波器的要求要比目前基于BAW的解决方案要严格得多。少数射频元件供应商已经介入这个市场机会,他们的解决方案预计将于2022年开始应用于5G智能手机中,以帮助消除FAA等政府机构的疑虑。

那么,5G滤波器必备的 “高性能 “是什么意思呢? 衡量射频滤波器的一个技术指标是看它对特定频率的响应。例如,n78频段作为一个横跨3.3至3.8GHz相当常见的全球5G频段,需要一个在这个频段范围两端都有灵敏响应的滤波器;即只允许两个频率之间的信号通过而过滤掉其他频率。为了实现这种高性能的响应,需要一个新型微声滤波器来填补与目前基于BAW的滤波器的性能差距。

最近,射频元器件厂商村田制作所和高通公司的开发的新型高性能微声滤波器已达到行业所需的5G射频滤波水平。这些高性能产品预计将出现在明年的5G智能手机中,并随着5G在未来十年的逐步成熟而成为标准的射频滤波技术。

高通 UltraBAW 滤波器技术 (来源: 高通2021年投资者日讲稿)

射频共存的重要性

我们需要有效的5G射频过滤的另一个关键原因是,高频频谱正变得非常拥挤。不只是5G的高频段占用了相当大一部分,其他服务,如Wi-Fi(5GHz和6GHz)、超宽频UWB(6GHz至8GHz)、V2X(车联网4.7GHz至4.9GHz)以及航空无线电测高也都位于相同的3-7GHz范围内。为了保证5G通信的顺畅,高性能滤波器在手机整机设计中占据至关重要的地位。而这些滤波器需要在消除对Wi-Fi、超宽带或V2X服务等任何类型的干扰方面同样表现出色。在许多情况下,5G通信将与这些其他无线服务一起使用,因此用户期望保证每项服务可用性。因此,当务之急是存在高性能过滤技术,不仅仅是为了让其他无线服务成为友邻,同时也要保证所有无线服务的可用性。

为何好的射频前端对5G至关重要

在本系列博客的三篇文章中,我们阐述了智能手机射频前端设计重要性的几个关键点,以及射频设计的进步是如何使用户在手机上感受到所有美妙的功能和用户体验,特别是现在我们在这个大力发展5G的过渡时期。在手机硬件设计的整个故事中,射频前端是一个默默无闻的英雄,它承担了指数级的难题并通过巧妙的工程设计将其全部抽象化,使之远离普通用户。我们只看到手机正常使用,但其魔力的背后很大一部分是承载这个美丽且复杂部分我们称之为射频前端的技术。笔者希望这个关于射频前端的系列文章能够帮助阐明射频设计的一些有趣部分,并对读者有新的启发。

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