什么是諧振器呢？各種諧振結(jié)構(gòu)被用來構(gòu)建針對不同應(yīng)用的濾波器

為了解決Wi-Fi和5G部分的相鄰頻譜共存問題，需要重新考慮構(gòu)成5G移動設(shè)備中帶通濾波器的核心——諧振器。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，4G LTE網(wǎng)絡(luò)的激增、最新5G網(wǎng)絡(luò)的部署以及Wi-Fi的無處不在，正在推動智能手機(jī)和其它移動設(shè)備支持的射頻（RF）頻段數(shù)量急劇增加，頻譜擁擠也導(dǎo)致干擾頻率大量增加。所以，必須使用濾波器將每個頻段隔離開，以避免互相干擾——因為這會耗盡電池壽命，降低數(shù)據(jù)速度并導(dǎo)致電話掉線。

圖1 在美國無線電頻譜的300 MHz至3 GHz中突出顯示的部分是應(yīng)用于移動設(shè)備的2 GHz頻帶

濾波器是一種選頻裝置，通過耦合基本元件或諧振器來實現(xiàn)，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

那么，什么是諧振器呢？各種諧振結(jié)構(gòu)被用來構(gòu)建針對不同應(yīng)用的濾波器。表1給出常見的諧振器結(jié)構(gòu)類型，并比較了它們在成本、性能、尺寸方面的優(yōu)劣。

表1 諧振器結(jié)構(gòu)類型（成本、性能、尺寸比較）

分立式電感-電容（LC）濾波器是無源電路，其中電感器阻斷高頻信號并傳導(dǎo)低頻信號，而電容器則相反。如果將濾波功能通過印刷電路板（PCB）層壓基板中的集成無源器件（IPD）實現(xiàn)，這會顯得非常緊湊。這種類型的濾波器具有低通帶損耗，但是它們并不能在接近頻率的范圍內(nèi)抑制潛在的干擾信號。

腔體諧振器成本高且體積大。但是，對于大功率蜂窩基站，由于它們能夠處理非常大功率的信號（數(shù)十瓦），因此它們是首選的濾波器類型。

多層陶瓷濾波器的插入損耗非常低，但是潛在干擾信號的衰減也很差。另外，相對于IPD，這些器件體積很大，尤其是在高度方面，這限制了射頻模塊的使用。這種濾波器適用于非常高的毫米波頻帶。

從單塊陶瓷濾波器到聲波諧振器

早期的移動電話使用單塊陶瓷（monoblock ceramic）濾波器（如圖2所示），以滿足所需的濾波性能特征。但是，與當(dāng)今的智能手機(jī)（需要多達(dá)40至50個濾波器）相比，早期功能手機(jī)所需的濾波器很少。單塊陶瓷濾波器由于尺寸較大且成本高，目前在智能手機(jī)中的使用受到很大限制。

圖2 1994年在摩托羅拉（Motorola）手機(jī)中使用的單塊陶瓷濾波器

隨著聲波諧振器的發(fā)展，現(xiàn)代手機(jī)射頻架構(gòu)以及智能手機(jī)的使用激增。這些基于壓電效應(yīng)的聲波諧振器結(jié)合了低成本、小尺寸和高性能的特點，適用于當(dāng)前4G/5G的智能手機(jī)頻率范圍和信號功率范圍。

表2 電磁波和聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度和波長（@2GHz）

由于晶體結(jié)構(gòu)中的不對稱性，壓電效應(yīng)存在于某些晶體中。例如，在圖3所示的鈮酸鋰（LiNbO3）晶格結(jié)構(gòu)中，鋰和鈮離子從氧八面體的中心偏移。

圖3 圖中的標(biāo)識線表示鈮酸鋰晶體結(jié)構(gòu)中的不對稱性，從而導(dǎo)致壓電效應(yīng)

因此，當(dāng)對該晶體施加電壓時，它將產(chǎn)生機(jī)械變形，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)機(jī)械壓縮或拉伸該晶體時，情況恰恰相反。電荷在晶體結(jié)構(gòu)的相對面上形成，導(dǎo)致電流在電路中流動。

交替的機(jī)械變形會產(chǎn)生聲波，并以每秒4000至12000米的速度傳播。根據(jù)金屬-壓電結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)，聲波可引發(fā)在壓電晶體表面或體內(nèi)傳播。實際上，即使在表面聲波（SAW）和體聲波（BAW）兩大類別中，也存在一系列具有不同特性的聲波（圖4）。

圖4 BAW和SAW聲波之間的差異

為了設(shè)計聲波濾波器，會將多個諧振器耦合在一起以形成通帶，通常采用“階梯”配置的形式。這種配置會交替使用串聯(lián)和并聯(lián)諧振器。聲波濾波器的主要特征包括：

- 帶寬指信號所占據(jù)的頻帶寬度，一個常用量是分?jǐn)?shù)帶寬（Fractional Bandwidth, FBW），因為濾波器通帶/中心頻率的寬度表示為頻帶頻率的百分比。這與聲波諧振器的關(guān)鍵參數(shù)——耦合系數(shù)或k2有關(guān)。

- 在頻譜較低的頻率下，需要更大尺寸的諧振器；而在較高的頻率下，則諧振器尺寸變小。

- 損耗是指信號通過濾波器時強(qiáng)度的降低。低損耗可最大化信號效率，從而降低發(fā)射信號的信號功率，進(jìn)而延長了電池壽命。

- 移動信號的功率水平繼續(xù)上升，因為頻率高的信號傳播距離短，并且需要更大的功率來覆蓋傳播范圍。這對濾波器提出了更高的可靠性要求。

其中許多參數(shù)是設(shè)計、材料選擇和制造工藝的函數(shù)。但是，帶寬是諧振器的基本特性之一。對于聲波諧振器，每個獨立的諧振器都有兩個“諧振頻率”，即諧振頻率和反諧振頻率。這兩個諧振頻率間隔（以耦合系數(shù)或k2為特征）確定了最佳的濾波器帶寬。

以下是有關(guān)聲波原理的重要公式：

其中，λ是聲波波長，v是波速，f是共振頻率。

其中，k2是耦合系數(shù)，fr是諧振頻率，而fa是反諧振頻率。

從諧振器到濾波器，聲波梯形濾波器的最大可實現(xiàn)帶寬受到與k2有關(guān)的諧振-反諧振頻率分離的限制。（注：聲波諧振器的頻率分離表示在其諧振頻率與反諧振頻率之間的差值。聲波諧振器的百分比分離是在其諧振頻率與反諧振頻率之間的百分比頻率分離。）

圖5 阻抗與頻率模型顯示了聲波諧振器的諧振頻率和反諧振頻率（左圖）；通過級聯(lián)多個諧振器，可以產(chǎn)生一個通帶濾波器（右圖實線）。

濾波器性能受以下因素的影響：耦合系數(shù)（較高的耦合會增加帶寬）、諧振器數(shù)量（更多的諧振器會以損耗為代價增加帶寬）、品質(zhì)因數(shù)（更高的品質(zhì)因數(shù)可降低損耗，尤其是在頻帶邊緣）、溫度穩(wěn)定性。

圖6 濾波器性能的影響因素：耦合系數(shù)（左上方）、諧振器數(shù)量（右上方）、品質(zhì)因數(shù)（左下）、溫度穩(wěn)定性（右下）。

5G濾波器

5G智能手機(jī)的關(guān)鍵應(yīng)用涉及激增的流視頻和相關(guān)流服務(wù)，例如游戲、AR/VR和視頻直播，所有這些都取決于設(shè)備的高帶寬。為了顯著提升無線寬帶的容量和速度，需要更廣泛的頻譜范圍以及可用頻譜聚合。因此，5G具有比4G更寬和更高頻率的頻譜分配。

大帶寬對于實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率至關(guān)重要。就瞬時帶寬而言，僅在3 GHz以上可用。因此，這些新頻段的濾波器要求與4G完全不同。5G需要數(shù)百兆赫茲的頻譜和3 GHz以上的頻率（而不是2 GHz左右的數(shù)十兆赫茲的頻譜），以及用于保護(hù)此帶寬的濾波器。

當(dāng)然，可以通過改進(jìn)用于3G和4G的聲波諧振器（通過摻雜壓電效應(yīng)和添加外部電感器）以增加可實現(xiàn)的帶寬。但是，這是以其它性能參數(shù)為代價的，并不可取。

傳統(tǒng)的聲波諧振器是為前幾代無線技術(shù)（2G、3G和4G）以及更窄的相關(guān)帶寬開發(fā)的，而如今的無線技術(shù)需要新的諧振結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實際需求不斷優(yōu)化。

XBAR是一種體聲波（BAW）諧振器，不適用于較窄帶寬的濾波器，但與5G完美匹配（圖7）。我們?nèi)蕴幱?G的早期階段；由于用戶流量較低，高性能濾波尚未體現(xiàn)價值。但是，隨著越來越多的用戶采用5G，緊密接近的多個頻率將迅速引起干擾問題。

圖7 不同的聲波諧振結(jié)構(gòu)以相應(yīng)的成本和性能展示了其對不同無線網(wǎng)絡(luò)的適用性

5G與Wi-Fi共存

與蜂窩技術(shù)歷史上的任何其它技術(shù)不同，5G和Wi-Fi將面臨共存的挑戰(zhàn)。n77和n79 5G頻段與5 GHz Wi-Fi頻段在頻率上相鄰，幾乎沒有很好的“保護(hù)帶”將它們分開。新的Wi-Fi 6（802.11ax）標(biāo)準(zhǔn)在n79頻段附近運行，n79頻段又與n77頻段相鄰。

圖8 5G和Wi-Fi頻段展示

射頻產(chǎn)業(yè)研究公司Navian的一份報告總結(jié)了上述共存問題：“Wi-Fi的5 GHz頻段對智能手機(jī)至關(guān)重要，它位于4.5 GHz和6至7 GHz頻段之間。如果要充分利用這些頻段，則每個帶寬都需要一個‘陡峭’的濾波器。同樣地，對于n77和n79 5G頻段，由于200 MHz的頻段間隙太窄而無法充分利用，因此同時需要應(yīng)用于這些頻段的高性能濾波器。”

如圖9所示，n77和n79之間僅存在200 MHz的間隔，而n79和5 GHz Wi-Fi 6頻率之間僅存在150 MHz的間隔。這些頻段的濾波器需要具有較大的耦合系數(shù)和較高的品質(zhì)因數(shù)。XBAR技術(shù)可以阻止干擾信號，以減輕5G和Wi-Fi頻段之間的干擾和通過每個頻段的最大帶寬，從而防止Wi-Fi信號滲入n79數(shù)據(jù)路徑，反之亦然。

圖9 高性能濾波器被用來防止頻段間的干擾，實現(xiàn)5G和Wi-Fi頻段的共存/工作

那么，不良的濾波對5G無線速度有何影響？這將如何影響5G用戶體驗？干擾將大大減慢5G數(shù)據(jù)吞吐量的速度，其速度將取決于干擾的程度。使用正確的5G高性能濾波器時，一個3 GB影片的下載時間為34秒，但如果沒有該濾波器，則下載時間可能會花費20分鐘或更長時間（圖10）。

圖10 展示在各種無線帶寬下3 GB文件的下載速度和時間

5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求正在推動新一代射頻濾波器的發(fā)展，而濾波器又需要新一代的諧振器來實現(xiàn)高吞吐量和信號共存。聲波諧振器已成為領(lǐng)先的技術(shù)，因為它們具有合適的性能范圍，可以為5G應(yīng)用構(gòu)建最佳的濾波器。5G設(shè)備可能需要多達(dá)100顆濾波器，這對于優(yōu)化諧振器結(jié)構(gòu)以最佳匹配性能要求顯得至關(guān)重要！