無線周波数フィルター技術のレビュー

選択するための鍵は、無線周波数フィルターを使用することです。その機能は、残りをブロックしながら、目的の周波数の信号が通過できるようにすることです。フィルターの動作原理は、特定の周波数で共鳴を生成することです。遊び場のスイングと比較できます。スイングを高くするには、振り子のスイングの頻度とプッシュする時間を同期し、スイングの頻度と共鳴する必要があります。同様に、正しく設計された共振回路は、他の周波数を抑制しながら、正しい周波数の信号を通過させることができます。不要な周波数を抑制するのではなく、通過が許可されているセマフォの定量的尺度は、フィルター品質（またはq）係数と呼ばれます。 q因子ができるだけ高いことを願っています。実際、フィルターは単一の周波数を通過させるのに十分ではありません。信号は、フィルターの帯域幅と呼ばれる特定の周波数範囲を通過します。帯域幅の要件は、フィルターが提供するワイヤレス標準に従って狭くなったり広げたりします。重要なことに、フィルターのサイズは、細胞技術の共鳴時の信号の波長に比例していることにも注意する必要があります。セルラー技術で最も広く使用されているフィルターは、主にサイズが小さく、q因子が高いため、アコースティックフィルターです。音響フィルターは、機械的応力を電気エネルギーに変換し、その逆に変換する圧電基板（通常はタンタル酸リチウム、litao3）と呼ばれる特別な基質の上に構築されています。 gigahertz周波数の音響共鳴現象のために非常にコンパクトで、その波長はマイクロメートル範囲内にあり、電磁共鳴に基づくフィルターの波長はセンチメートル範囲内です。これを考えると、rfアコースティックフィルター業界は過去10年間でモバイル通信の台頭に伴って大きなブームを経験しました。この記事では、サイズがその主な駆動要因であり、将来のワイヤレス通信の新しい開発を含むさまざまなrfフィルター技術を研究します。

表面音波には温度補償があります。バルク音響波（fbar、smr、cmr、xmr）; lcフィルター（ltcc、ipd）;ワイヤレスの未来の新しいフィルター。

 

i.表面音波（saw）フィルター

当初、1g、2g、3g携帯電話の最大動作周波数は約2 ghzでした。 2g gsmバンドは900 mhz、pcsバンドは1900 mhz、3g電話のバンド1は2100 mhz、バンド5は850 mhzでした。 sawフィルターは、これらの周波数で約800の品質係数を達成できます。これは、モバイル通信に十分です。 sawフィルターは、アルミニウムストリップが付いている圧電基板に実装されています。アルミニウムストリップには、インターディジタルトランスデューサー（idt）と呼ばれる櫛のような構造があり、電気信号を音波としても知られる機械的振動に変換できます。これらの波は、圧電基質の表面に沿って横方向に伝播し、両側の戦略的距離に配置された他のidtと衝突し、背中を回復します。この構成の物理的構造によれば、ソーフィルターには特定の共鳴周波数があります。

表面音波（のこぎり）共振器

 

その後のワイヤレス標準の作業周波数と帯域幅が増加し続けるにつれて、圧電基板上の狭いアルミニウム特徴サイズのソーフィルターを製造し、100 mhzを超えるフィルター帯域幅を実現することがますます困難になります。別の問題は、フィルターの変動によってフィルターの性能が変化することです。これは、外部の環境要因またはフィルター内の内部熱散逸によって引き起こされる可能性があります。これらの問題を克服するには、sawフィルター技術の改善が必要です。これらの改善により、さまざまな手法が採用されています。これについては、次のテキストに表示されます。

 

ii。温度補償（tc）はフィルターを照らしました

圧電基質の負の温度係数は約-20 ppm/cから-40 ppm/cです。つまり、温度が上昇すると、周波数応答がより低い周波数にシフトすることを意味します。 tc-sawフィルターは、次の2つの手法のいずれかを使用して、温度ドリフトの問題を克服します。

1.二酸化シリコン（sio2）の薄い層がidt構造の上部に堆積します。 sio2の正の温度係数は、圧電基質の負の応答を補正し、0 ppm/cに近い周波数オフセットを効果的に達成します。ただし、これにより、追加のフィルター損失とスプリアス共鳴モードが発生します。

2。熱膨張係数（サファイアや二酸化シリコンなど）を備えた別の基質で圧電基板を結合します。しかし、この方法は、以前の方法よりも温度の安定性が低くなります。

温度安定性は、4g lte標準の必要な特性です。バンド40（2.3-2.4 ghz）は、wifi（2.401-2.483 ghz）の下限とほぼ一致し、この事実はフィルターの精度に厳格な要件を課しています。ただし、ワイヤレス標準周波数がますます高くなると、idtのアルミニウム電極の幅が小さくなり、フィルターがすぐに高伝送出力での損失と電気駆動の増加の問題に直面しています。研究者はこの問題を軽減するためにさまざまな金属合金を試しましたが、現在、新しいテクノロジーを採用する時です。

 

iii。バルク音響波（baw）フィルター

bawフィルターは、より高い周波数に拡張し、より高い電力要件を処理する問題に対処します。バルク圧電材料の共鳴現象を利用する音響波フィルターを作成する2つの方法があります。

1。薄膜バルク音響共振器（fbar）

2。サーフェスマウント共振器（smr）

 

iv。薄膜音響波共振器（fbar）

fbarの実用的な原則は簡単で理解しやすいです。これは、上部と下部の電極の間に挟まれた圧電材料で構成されています。逆の圧電効果により、電極に交互の電圧が適用されると、基質に機械的ひずみが生成されます。これにより、2つの電極間を前後に反射する音波が生じ、それにより共振器が形成されます。次に、共振器を結合することにより、bawフィルターが製造されます。

fbarの「薄膜」とは、支持基板上に懸濁された形式で実装された電極と圧電基質を指します。サポート基板は、圧電材料の下に選択的にエッチングされ、基質の自由振動（および共鳴）を可能にします。底部電極と空気の間の高い音響インピーダンスインターフェイスにより、音波は圧電材料に反映され、共振器が形成されます。

フィルムベースのバルク音響共振器（fbar）

 

この作業原則に基づいて、窒化アルミニウム（aln）を圧電材料として使用すると、2000を超えるq係数を2〜8 ghzの範囲内で達成でき、4g lte/5gアプリケーションに理想的な選択肢となります。 fbarは温度変化に適応でき、cmos鋳造プロセスと互換性があります。これにより、fbarテクノロジーの商業化により、broadcom、qorvo、stmicroelectronics、samsung、tdk（qualcomm）、taiyo yudenなどの多くの大企業がこの分野に参加します。

fbarフィルターの動作周波数を増やす方法は、aln基質を薄くすることです。たとえば、それを120nmに減らすことにより、fbarは24 ghzで動作できます。高周波動作を達成する別の方法は、高次共振モードと過形成baw（obar）共振器を使用することです。

bawフィルターの欠点は、大きな帯域幅でフィルターを製造することは困難です。帯域幅は、圧電材料の特性に大きく依存します。帯域幅を増やすために、研究者はscandiumをalnに首尾よくドープし、それにより帯域幅を2回以上増加させました。ニオベートリチウム（linbo3またはln）などの強力な圧電材料も良い結果を示しています。

 

v.固定共振器（smr）

fbarの本質は、電極と空気界面の間に高いインピーダンスの存在下にあり、音波を共振器に反射させることができます。同じ効果は、いわゆる音響ブラッグリフレクターを上部および下部の電極を備えた圧電材料の下に配置することで実現できます。

音響ブラッグリフレクターは、一連の交互の高インピーダンス層（二酸化タングステンやシリコンなど）で構成されているため、信号の各インターフェイス部分が反射されます。ブラッグリフレクターの層が多いほど、複数の反射のためにリフレクターによって提示されたインピーダンスが高くなります。 baw共振器の底部電極の下にブラッグリフレクターを配置することにより、信号は圧電材料に反射され、それによって共振を引き起こします。

固定モード共振器（smr）

smr bawフィルターのパフォーマンスは優れています。たとえば、qorvoは、40wのピークで5wのrfパワーを処理できるsmrフィルターを報告しました。最近、彼らはまた、scandium dopingを使用し、5gおよびwi-fi 6e周波数帯域をカバーする1〜8 ghzの範囲での操作をサポートする新しいタイプのsmr bawフィルターも報告しました。

 

vi。プロファイルモード共振器（cmr）およびxmr

fbarおよびsmr bawフィルターの場合、物理構造に基づいて1つの共鳴を実現できると、作業周波数帯域ごとに異なるフィルターチップが必要です。細胞周波数帯域が急速に増加するにつれて、単一のbawチップに複数の作業周波数帯域を実装する必要があります。プロファイルモード共振器（cmr）bawテクノロジーは、マルチバンド操作用に開発されています。

cmr baw共振器の物理構造は、sawフィルターで使用されるidt構造とbawフィルターで使用される底部電極の混合物です。その結果、複数の共鳴モードは、異なる周波数で同時共鳴モードを実現するために、横方向（sawなどの表面に沿った）と縦方向（bawなど）の両方の方向に励起されます。これにより、複数の周波数帯域を同時に処理できるマルチバンドbaw共振器の設計が可能になります。

fbar、smr、およびcmrでは、カップリング係数が限られているため、幅広いフィルター帯域幅を達成することは常に問題でした。カップリングの程度を増やし、それによってフィルター帯域幅を増やすために、研究者は複数の動作モードを組み合わせる方法を発見しました。概要の観点から共振器の金属形状を純粋に設計する代わりに、研究者はその断面と関連するモードを調べて共振器を設計します。 bawフィルター電極の複雑な設計により、xmrと呼ばれる新しいタイプのbawフィルターが広い帯域幅のために開発されました。このようなフィルターは非常に新しいものであり、まだ研究開発中です。

 

vii。統合された要素フィルター

5g new radio（nr）eraに入ると、n77-n79周波数帯の帯域幅は、前世代の帯域幅の10倍です。圧電材料を介した結合が比較的低いため、sawおよびbawの技術は常に過度の帯域幅の問題を抱えていました。この問題を解決するために、今日の5gスマートフォンは通常、統合されたエレメントlcフィルターを使用しています。インダクタ（l）およびコンデンサ（c）は、低温の共発動セラミック（ltcc）または統合パッシブデバイス（ipd）などの多層基板に実装されています。基板上のこのようなパッシブデバイスのq値は高くありません。したがって、これらのフィルターには良好な選択性がありません。これは、2つの理由でまだ許容される可能性があります。

1. 5g周波数帯域の占有は、前世代の職業ほど密度が高いため、フィルターの選択性の低下は受け入れられる可能性があります。

2。5gに必要な広いフィルター帯域幅を実現できます。 saw/bawはこのユースケースではうまく機能しないため、他の選択肢はありません。

ltccのフィルターを作成することの主な欠点は、多層法を使用して受動的要素を実装すると、全体的な厚さが大きすぎて薄い最新のスマートフォンには適していないことです。さらに、製造プロセスの耐性が低いため、利回り率が良好ではありません。

ipdは、特にガラス基板に実装されている場合、より高度な技術です。製造耐性はより厳しく、厚さは小さく、高密度の金属挿入剤（mim）コンデンサを達成できるため、よりコンパクトでより厳密に制御されたフィルターが可能になります。 gaas ipdを使用すると、フィルターをアクティブ回路と統合することができます。ただし、wifi 7および6gのセルラー技術の増加により、q値が限られていることと選択性が低いことは、将来的に問題になります。将来、より複雑なフィルターが必要になります。

 

viii。将来の見通し

rfフィルターテクノロジーの将来では、まだ多くの革新的な方法があります。私たちはまだすべての目標を達成することにはほど遠いです。それにもかかわらず、ここにいくつかのエキサイティングな進歩があります。 ultra-high performance（ihp）saw：murataは、q値が4000（通常のsawよりも4倍以上）を超えるsawフィルターと5 ghzを超える動作周波数を示しました。現在、パフォーマンスの制限を突破するために、サポート基板と圧電材料のさまざまな組み合わせが研究されています。

xbar：resonant inc.は、2022年にムルタに買収されました。彼は独自のxbarテクノロジー（sawとfbar bawテクノロジーのユニークな組み合わせ）を持ち、5g nrアプリケーション（n79周波数帯域を含む）にアコースティックフィルターを提供すると予想されます。

xbaw：akoustisは、5gおよび最新のwifiテクノロジーに高性能ブロードバンドアコースティックフィルターを提供することを約束する別の会社です。彼らは、多結晶alnフィルムよりも優れた圧電特性を備えた単結晶alnフィルムを使用して独自の技術を開発しています。

ハイブリッド：将来のrfフィルターは、慎重に設計されたアコースティックフィルターとlcフィルターの組み合わせを採用して、win-win効果を実現する場合があります。公開された研究では、帯域幅は900 mhz（3.3-4.2 ghz）であり、4.4 ghz（バンドn79）で、36 dbの抑制を提供し、200 mhzの差はわずかに明るい見通しを持っています。