5G 毫米波滤波器的最优选择是什么？
本文转载自刊登于semiengineering.com网站文章《The Search For 5G MmWave Filters》。
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频带，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通过滤波器将信号与其他频带分离开，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。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。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy
到目前为止，这一切并没有发生：
表面声波（Surface acoustic wave ，SAW）器件或体声波（Bulk acoustic wave ，BAW）器件的频率不会超过 10GHz。——FormFactor 射频部门业务发展总监 Anthony Lord
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。对此，业界还没找到有效的解决方案。——FormFactor 射频产品组高级营销总监 Tim Cleary
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。
1. 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，因为宽频带是进行分配和拍卖的，而单个信道指的是宽频带的子集。
小频带的数量正在急剧增加。对于利用频分双工 (Frequency-domain duplexing , FDD) 的信道，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。当使用时分双工 (Time-domain duplexing，TDD) 时，整个信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。
2. 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 频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，需要尽早过滤掉散杂信号，防止其进入射频链路。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进多出 (multiple-in/multiple-out ，MIMO) 技术，可以使用天线元件阵列。在这种情况下，每个元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 毫米。所以必须要适应这个间距。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy
目前，这对毫米波来说是不可能的，所以最终都是在信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，只不过它们永远无法满足移动设备内部的空间要求。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye
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。因为那时候还不会分解频段，主要使用天线进行滤波。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming
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，我们需要为天线元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？
3. 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，电信号可以转换为机械振动，机械振动也可以转换为电信号。这些机械振动相当于晶体内的声波。
通过建立一种声学共振结构，可以将输入信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信号。
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。
4. 毫米波滤波器的选择
毫米波无线电信号并不是新鲜事物。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，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。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy
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。现在我们正在研究 5 到 7.1 GHz 的 WiFi，然后是 7 到 9 GHz 的超宽带。该模型可以用于毫米波吗？我们认为可以。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy
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。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。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye
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，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。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye
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。通过这种设计，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。——Resonant 企业发展部副总裁 Mike Eddy
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。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 25 GHz 左右开始失效。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming
5. 集成基板的波导
由于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，微波信号可以通过蚀刻区然后在硅晶片上进行金属化。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye
3D Glass 通过光刻工艺在玻璃而非硅中制作波导，通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，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。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming
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，那么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。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming
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，有人称之为 5G，有人称之为 6G。——3D Glass 首席技术官 Jeb Flemming
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仿真工具，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，人们放弃了对设计进行经验测试，依赖 EM（电磁模拟）技术来进行设计。——Cadence AWR 软件技术营销总监 David Vye
Cadence 此前与 3D Glass 合作，使用 AWR® Microwave Office® 进行设计和仿真，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，这个结构通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 AWR 软件技术营销总监 David Vye
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。
