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FBAR滤波器在5G时代能否还有继续发展的空间?

发表时间:2021/7/11  来源:RF技术社区  浏览次数:1937  
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声波滤波器主要包括SAW表面波滤波器和BAW体声波滤波器。其中,体声波滤波器有——薄膜声波开发FBAR滤波器。

我们也多次介绍过5G。 5G的这种变化不仅是移动通信标准的更新,对射频设备,尤其是射频前端,如波导介质滤波器的大规模应用、大型天线系统。今天,通过博通博通的采访,FBAR在5G及以后最重要的应用和发展是什么?

5G移动通信是通过开放更高的频段并重新安排频段来实现的。这导致需要新组件必须满足更严格的插入损耗、更宽的带宽和更显着的带外抑制要求,同时始终确保以更低的成本占用更小的空间。尽管已经测试了许多滤波器技术,但未来将通过对当今SAW、BAW 和FBAR 滤波器技术的不断增量创新来实现。 Broadcom 是移动电话射频前端滤波器的市场领导者。

Yole Dveloppement (Yole) 市场和技术分析师Cdric Malaquin 与FBAR 技术总监Rich Ruby 和Broadcom 首席技术策略师William Muller 进行了交谈。


访问过程记录如下:

Cdric Malaquin (CM):您能告诉我们的读者您在博通的角色和使命吗?

威廉穆勒(WM):我使用首席技术战略家的头衔。我的简介是随时了解移动射频接口(RFFE)领域的发展,以帮助指导我的部门将资源分配到哪里。为此,我就治理问题(他们的需求、我们的能力)以及作为标准机构(包括3GPP)的代表联系了服务提供商和监管机构。

Rich Ruby (RR):我是FBAR 的技术总监。 FBAR(薄膜体声波谐振器)是带有Broadcom 压电体声波(BAW) 滤波器的版本。我一直在寻找“颠覆性”的方法来改进我们的产品(尺寸、成本、性能),并密切关注我们为手机市场开发的技术的正交应用。

CM:请介绍博通及其产品和公司的目标市场。

WM:Broadcom 是一家多元化的公司,通常专注于通信、企业存储、工业和企业软件市场的技术。 Rich 和我工作的无线半导体部门专注于为RFFE 开发多技术模块。我们的客户是主要的手机制造商。

CM:您能描述一下博通去年(2018 年)的总体情况吗?

WM:博通是一家上市公司。您可以看到发送的财务结果。我会说“好”。

CM:在您看来,5G 对非自治模式(即LTE 和5G 的双连接)有何影响?

WM:似乎大多数第一个5G 实施都不会是独立的(NSA)。这在很大程度上是由经济驱动的,因为切换到5G 核心可能需要大量投资。 NSA 允许通过NR 链路(NR 是5G 空中接口)发送数据,并通过LTE 链路(LTE 是4G 空中接口)完成网络控制。这种双连接(3GPP 中的DC 或EN-DC)允许现有4G 网络控制运行,但仍然利用5G 频谱的优势进行数据传输。如果没有这种能力,5G 部署会慢很多。

根据定义,NSA 意味着必须保持两个链接才能进行呼叫。同时进行两次传输可能会导致重大的操作挑战,因为信号可能会以削弱甚至阻止接收的方式进行交互。因此,NSA 在线性方面面临更多挑战,需要隔离信号。这提高了高抑制滤波的有效性,以最大限度地减少交互和复用以共享天线端口。共享天线在5G下变得更加重要,因为某些频段的标准要求44 MIMO(多入多出),这意味着必须使用4个接收天线。

CM:博通是否希望在过滤技术方面进行颠覆性创新,以解决手机中过滤器数量不断增加的问题,而无需额外的空间和价格溢价?

WM:根据定义,破坏性变化很难预测。但是,我相信当今技术的持续发展比任何破坏性变化都更有可能。已安装的技术基础似乎非常有能力支持迄今为止为5G 建立的要求。到目前为止,我们已经能够将每个频段所需的空间每年减少大约15-20%,以补偿增加的功能。大批量成熟工艺通常也比新工艺便宜。由于可调解决方案固有的选择性降低,需要多个同时连接意味着可调滤波不是解决方案。我想说,5G最大的挑战不是我们有答案的过滤器,而是天线,在很多情况下我们没有。

RR:我同意可调过滤器不是答案。由于载波聚合频段的存在,多个可调滤波器必须在各种“认可”的交流频段(例如,CA B1/B3/B7 CA B25.B66、B30)之间并行切换。

直到现在,可调谐滤波器在从一个频段切换到另一个频段时还没有表现出良好的性能。我们还研究了新的导波SAW(表面声波)装置(有时称为IHP SAW)。虽然从它们为SAW 社区带来新生命的角度来看令人兴奋,但鉴于缺乏体积或性能优势,我们不希望这项技术具有破坏性。

A/D 和D/A 技术被定期提出作为一种完全更换过滤器的方法。实现更换滤波器所需的宽动态范围、线性度和功率处理能力(并具有合理的功率预算)将极具挑战性。我的意思是,在接下来的5 到10 年内,你会在手机中看到越来越多的“抛光”压电滤波器技术。

我们还研究了一种使用FBAR 的新型环行器,但我们没有看到这项技术与手机的交集。

CM:一旦大规模MIMO有源天线的功率水平和要求降低到足够低的水平,博通是否也希望进入基础设施市场?

WM:制作我们提供的产品类型需要相当大的团队。到目前为止,我们发现通过专注于移动电话的嵌入式解决方案而不是其他应用程序,我们做得更好。很难与手机空间所需的体积相抗衡。关于降低5G基础设施的功耗:或许吧,但最初对128128元基站的兴趣已经触及了网络实施成本的现实,现在对32x32甚至16x16的解决方案产生了更大的兴趣。与之前设想的小型蜂窝网络不同,运营多家企业有望引入宏覆盖。因此,另一方面,手机的数量更为惊人。

CM:您认为行业会使用12 英寸晶圆用于FBAR 技术吗?博通在这个问题上的立场是什么?

RR:我们一直在评估切换到12 英寸晶圆的可能性。随着MIMO 为手机增加更多的滤波器,滤波器的数量最终可以表明不止一家供应商使用12 英寸。不过,我亲自参与了很多3英寸到4英寸的转换,可以说这并不容易实现。今天,我们有足够的能力来满足客户的需求。

CM:根据您的介绍,FBAR 技术是否会处理较旧的3.5 GHz 5G NR 频段(N77、N78、N79),这些频段将成为主要的5G 频段?

WM:首先,意见略有不同。在我看来,说这些是5G 的“主要频段”是过于简单化了。例如,n41 在全球范围内可能比n77 或n79 更重要。在美国,很多人认为新的毫米波频段将成为“主频段”。对我来说,“主要”是实施的反映,我相信5G将在运营供应商可用的任何未使用频谱上推出。但是,我同意在世界许多地方,包括欧洲,它可能是n78。但是,我们不能忘记,传统频段对于5G仍然很重要,尤其是可能未被充分利用的频段,例如n28、n71甚至n5。

但是为了解决这个问题,FBAR 可以为这些新的更高频段提供服务。我们可以使用单个声学滤波器来支持n78 或n79。我们还可以通过包括LC 结构和FBAR 谐振器的混合结构来支持n77。这种基于FBAR的滤波器可以解决WiFi频谱共存问题,对n78和n79进行异步操作,为n78操作提供更受保护的环境。我们相信这种类型的解决方案将用于一些被认为添加重要功能的手机。我们不希望这样的解决方案被普遍采用,至少在早期实现中是这样。

RR:我认为在6 GHz 以下使用的所有滤波器都将使用压电技术或集成无源器件(IPD)。当需要急剧衰减和复杂的多路复用时,将使用压电技术。在性能不是那么重要的地方,您会看到IPD 技术。

但一个有趣的问题是,BAW(大规模声波)滤波器技术在什么频率开始失效?我们已经展示了可以解决高达10 GHz的应用的技术,如果10-20 GHz区域的频段是开放的,我们也可以支持该区域。但是,在某些情况下,可以在低损耗芯片或基板上建模足够多的滤波器,而封装内外的寄生损耗会太大。因此,频率不是BAW 设备的限制因素,而是更简单的技术或集成方案的替代方案。

CM:是否还有空间将更多FBAR 滤波器集成到已经非常密集的功率放大器模块中?

WM:简而言之,是的。下一个技术元素允许在RFFE 中使用更小的过滤面积。博通在这个方向上做了很大的努力。它也适用于允许更密集组装的技术,例如双面组装、更小的禁区、更密集的球栅阵列等。几年来,我们制定了清晰的路线图来跟踪迄今为止已确定的需求。

RR:我同意。我们正在努力减少所有组件进入前端模块的面积。由于滤波器在当前模块中占据的面积最大,我们努力朝这个方向进行创新。

CM:基于您的技术经验和您对射频电子行业的愿景,您是否预计LTE手机射频前端的滤波功能数量会受到限制?

WM:限制来自成本和尺寸,但如上所述,至少对于旗舰手机而言,到目前为止,我们已经能够跟上行业需求。从我们目前看到的情况来看,预期的未来需求不是我们关心的问题。

RR:我曾经写过一篇Op Ed 文章(2016 年)并预测每部手机大约有100 个过滤器。如今,旗舰手机拥有60 多个滤波器(由分集和MIMO 模块以及主要前置模块驱动)。我坚信会发生大约100 个过滤器/调用。另外,我不认为这个数字是一个大问题。如果很明显需要更大数量的过滤器,比如300+过滤器/手机,那么我们将查看地理区域(例如亚洲、美洲、欧洲等)的电话叉;全面支持主要地区数据速率,而其他地理区域则较低。

CM:一旦5G网络独立,你预计手机的过滤能力会下降吗?

WM:简而言之,“不”。仍然需要支持传统频段。 4G 将在大多数网络上保持活动状态,并且会在第一个SA 网络之前保持活动状态更长的时间。 5G 还利用了载波聚合(CA)。因此,我预计在可预见的未来过滤要求不会有任何减少。

RR:除了开放性问题,设计一张适合大量国家和服务提供商的单一电话卡的想法总是会保留大量的过滤器。减少手机频段的数量以支持一个国家、地区或替代服务提供商开始看起来像早期的“诺基亚模式”。在诺基亚手机出现的高峰期,他们制造并支持了200 多种不同的手机产品。

CM:你想为我们的读者补充一些最后的话吗?

微信:3G向LTE的过渡,给智能手机带来了对高性能声波BAW滤波的巨大需求,但需要1到2年的网络密集化。 FBAR过滤现在满足了这些需求,而且数量非常多。我们已经看到了5G 中的并行场景。随着滤波器在MIMO 丰富的NR 环境中激增,并且随着多路复用要求的增加以支持新频段中的交流和直流,我们希望我们的FBAR 技术继续提供一些可用的最高性能解决方案。一些OEM 和运营供应商甚至会在您的智能手机首次部署时要求高性能BAW 过滤。博通扩大8英寸容量,继续努力缩小方案,提升BAW性能,满足6GHz及以上要求,完全有能力满足5G无线电新时代的需求。

RR:想象一个没有用于射频滤波器的压电谐振器的世界。这款手机将采用早期的陶瓷滤波器技术(陶瓷双工器的体积为5 X 5 X 30 mm 3)。相比之下,Broadcom FBAR 滤波器通常要小3,000 到4,000 倍。接下来,想象一个只有SAW 压电滤波器的世界。 SAW 在1 GHz 或更低频率下工作良好,但在2 GHz 或更高频率下很难满足功率、插入损耗、隔离度和线性度的规范。尽管SAW 仅用于接收更高频率的应用,例如在分集模块中,但功率限制是基本的:SAW 不适用于更高频率的传输。并且您需要Tx 来保存下载链接,例如用于同步。然而,1GHz以下的带宽根本不足以为用户提供100MHz的带宽,满足每秒千兆下载速度的目标。只需SAW,您就可以下载大数据内容(电影、流媒体等)。) 根本不是我们词汇表的一部分。 FBAR 于1993 年左右在惠普实验室开始。它是第一个用于蜂窝应用的高容量BAW 技术;我们在2001 年推出了第一台独立的FBAR 双工器。到2013 年,我们已经销售了所有智能手机。今天,所有高性能智能手机都使用FBAR 或其他BAW 技术。简而言之,您可以说FBAR 是现代智能手机的关键推动因素。

被调查

William Mueller拥有Harvey Mudd College 的BSE 和加州大学伯克利分校的MSEE。

William 在RF 领域拥有超过45 年的经验,专注于组件级设计和RF 接口架构。在过去的34 年里,他一直在Avantek-HP-Agilent-Avago-Broadcom(相同的工作组,不同的名称)工作,目前是Broadcom Inc. 无线半导体部门的首席技术策略师。

William 熟悉射频功率放大器和低噪声放大器的设计,以及FBAR 滤波器的设计。积极参与标准机构(3GPP、MIPI)、行业论坛(IWPC、GTI、IEEE)和监管机构(FCC、Ofcom)。

威廉在研讨会上发了很多论文,拥有三项与射频前端组件相关的专利。

Rich Ruby博士(加州大学伯克利分校)是IEEE的技术总监和成员。

Rich 于1984 年加入惠普实验室,从事超导、电子束光刻、X 射线光刻和封装方面的工作。 1993 年,他开始研究单声道声波谐振器(FBAR) 设备,此后一直在使用这项技术。

他对FBAR 滤波器和双工器的声学特性、可制造性和封装做出了许多贡献。 Rich 于2001 年至2003 年销售了一批HPMD7901 和7904 FBAR 双工器。第一个全硅芯片级分组级FBAR 双工器于2004 年推出。今天,Avago/Broadcom 的销量超过20 亿FBAR 过滤器每年都会进入移动市场。

多年来,Rich 获得了Samuel Silver 奖、Barney Oliver 奖、Bill Hewlett 奖、CB Sawyer 纪念奖、美国物理学会工业应用奖,最近还获得了加州大学伯克利分校的杰出校友。 Rich在FBAR设备领域拥有90多项专利。腔体滤波器,晶体滤波器,介质滤波器,腔体双工器,腔体合路器,声表滤波器,高稳晶振,低相噪晶振,恒温晶振OCXO,温补晶振TCXO,时频模块,授时守时模块,时钟模块

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