BAW滤波器助力5G，实现高质量通信和更高效率

随着移动互联网和物联网的飞速发展、越来越多智能设备的出现,在AR/VR、超高清视频、无人驾驶、远程医疗、智能穿戴、智能家居等各个领域都会产生极大的通信需求。用户需求的持续增长，对传输速率,数据量,电池续航时间都提出了很高的要求。4G 网络无法满足这些需求,所以 5G 技术应运而生。

5G NR——技术创新和产业革

5G是第五代通信技术,是4G的延伸,主要特点是波长为毫米级,超宽带,超高速度,超低延迟。

移动通信从1G(模拟通话)->2G(数字通话)->3G(语音、数据、图片)->4G(语音、数据、图片、在线视频、在线游戏等)->5G(4G应用+万物互联)。

3GPP Rel-14包括5G场景与需求、新一代系统架构、无线接入技术研究等项目。2016年10月,3GPP PCG 会议选择将“5G”作为R15和后续版本的品牌,包括新空口与LTE演进。在5G新空口方面,2018年3月,完成了第一版的non-standalone标准。2018年9月,完成第一版的standalone标准(R15),支持eMBB和URLLC场景。2019年12月,计划完成标准第二版本(R16)。在R15版本中,3GPP定义了5G两大FR(频率范围)。

FR1:从450MHz 到 6000MHz,频段号从1到255,通常指的是Sub-6Ghz,系统最大带宽100MHz。

FR2: 从24250MHz到52600MHz,频段号从257到511,指的是毫米波mmWave(尽管严格的讲毫米波频段大于30GHz),系统最大带宽400MHz。

与LTE不同,5G NR频段号标识以“n”开头。

2019/6/6工信部颁布的中国5G商用牌照如下:

全球各国对于5G 频谱划分(主要指先行的国家)

美、日、韩:积极开展和部署700MHz和28GHz。对应室外广覆盖和室内热点的局域覆盖。

在商场、车站、地铁、楼宇等人流密集区域重点发展28GHz毫米波,在农村,城市郊区等空旷的地方部署700MHz的基站,实现大面积广域覆盖。

中、欧:重点发展Sub-6GHz中频段,首要目标是连续性广域覆盖。中国的700MHz频谱目前用于广电CATV通讯,后续应该会用于5G。

5G衍生的技术创新

1)毫米波通信

利用毫米波进行通信的方法叫毫米波通信。毫米波的波长从1毫米至10毫米、频率从30GHz至300GHz。

λ= V/f (V=C 光速,f 频率越高, λ 越短)

频率越高(波长越短)越趋近于直线传播(绕线能力越差),且衰减越严重。毫米波的波长从10毫米至1毫米、频率从30GHz至300GHz。因此,5G使用高频段会使其覆盖能力大大减弱。

毫米波优点:超带宽、波束窄、干扰少、传输质量高、元件尺寸小。

2) 小基站技术

由于高频电磁波衰减严重,在有遮挡物时尤其明显,传播距离更短。为了信号的稳定性和连续性,对基站的需求将远远大于4G。小基站相对于宏基站,一个宏基站可以覆盖一大片区域,小基站体积小,数量多,可以随处安装灵活布局,未来甚至可能隐藏于街角各个角落,完全融入人们的生活,满足各类场景需求。

小基站的优势:低功耗、小巧的外形、完整的基站(整个系统包含BBU + RRU +可选路由设备)、采用可工作于授权频谱和非授权频谱的蜂窝移动通信技术、包含室内和室外部署。

3) Massive MIMO与波束型技术

MIMO(Multiple Input Multiple Output)即多输入多输出,通过布置天线阵列,使每一对天线可以独立传送信息实现基站与通讯设备间的信息传输。在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,在不额外占据频谱资源的情况下提高信道容量,达到有效利用。传统MIMO系统仅支持8个天线端口,Massive MIMO系统中,基站配置的天线将会数倍增加,目前(32/64/256)阵列天线在大量应用设计中,对目标接收机调制各自的波束,信号隔离互不干扰,充分发挥了系统的空间自由度,大大提高频谱利用效率。

波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合,目的用于定向信号传输或接收。指根据特定场景自动调整天线阵列辐射模式的能力。波束成形技术是MIMO的一种应用形式,能够使一个频段内用户在互不干扰的情况下同时传输数据,达到在接收端的信号叠加,从而提高接收信号强度的目的。该技术使能量可以集中到用户,不向其他方向散射,建立可靠连接。

4) 新型多载波技术

载波,是指载有数据的特定频率的无线电波。多载波即是采用多个载波信号(将信道分成若干正交子信道),将需要传输的数据信号转换成并行的低速子数据流,然后调制到在每个子信道上进行传输。采用多载波技术主要是为了配合大规模MIMO技术,具有频谱效率高、灵活性强以及复杂度低等特点。

载波聚合技术是将多个载波聚合成更宽的频谱,同时把不连续的频谱碎片聚合到一起,获得更大的带宽,传输速度大幅度提升,降低延时。4G中它的应用可以使2-5 个LTE中的成员载波(带宽小,通常为20M)聚合在一起,实现最大 100MHz 的传输带宽。

随着移动互联网和物联网的飞速发展、实现5G网络之后,最直观的感受就是网速有了质的提升,从4G的最快12.5MB/s将上升至20Gbps。这样的速度会完全改变我们的生活,从2G的传统通讯到3G时代的QQ,再到现如今的微信,抖音短视频等软件。不久到来的5G更是有无限可能,虚拟现实、超高清视频,影像投放,远程医疗等都是可以实现的,毕竟,未来已至。

射频前端器件在5G时代价值将继续上升

射频前端包括射频功率放大器、射频低噪声放大器、射频开关、射频滤波器、双工器,隔离器等器件。

5G技术升级的主要动力来源于对相关产品的低功耗、高性能、低成本的需求。

1) 网络通讯升级对射频前端性能要求越来越高

射频前端是系统必备的基础性零部件,更是移动智能设备的核心组成部分。无论何种通信协议,何种通讯频率,射频前端不可或缺。

移动网络从2G的GSM,3G的WCDMA,再到4G的LTE-Advanced,每一代的更新换代都带来新的通讯协议,复杂程度也以指数倍提升,对手机内的射频系统要求也更高、更严格。5G时代将会带来一个全新的网络架构,另外Massive MIMO技术、载波聚合技术等,对设备的射频器件性能都提出了更高的要求。

带宽:即消费者说的网速,即单位时间内的比特信息传输总量,下载速度就是由带宽决定的。2018年中国移动 4G LTE 平均下载速度是 30Mbps,5G 的用户带宽最高将达到 1Gbps(1024Mbps)。峰值速度会达到20Gbps。纵向对比历史,设计速度上来看 2G 比 1G 快了 20 倍,3G 比 2G 快了 20 倍,4G 比 3G 快了 10 倍,而 5G 相对 4G 的百倍带宽将是历史上提升最大的一次;这样的速度是 4K 清晰度直播流媒体(25Mbps)所需求的 40 倍。5G 相对 4G 的百倍带宽将是历史上提升最大的一次。这离不开5G系统的高带宽。5G系统的高带宽对功率放大器的要求尤为严格。

延迟:5G 对连接质量的提升,远不只体现在带宽上,5G 网络的延迟才是重头戏。网络通信永远都绕不开延迟这一关。作为反映数据从被发送到被接受的时间指标,延迟的重要性并不比带宽底,如果说带宽决定的是网络的下载速度,那么延迟决定的就是网络的反应速度。

从数据上来看,目前最先进的 4G LTE 平均延迟大概在 90 毫秒,普通的有线网络大概是 50-120 毫秒,而 5G 的目标延迟是 10 毫秒以内,其设计目标约为 4G 的 1/50,并且远远得低于目前的普通有线网络。我们有理由相信,5G 的超低延迟将会是一颗引爆互联网潜能的核弹!

2) 网络通讯升级对射频前端数量要求越来越高

我们以智能手机为例,在它的射频前端系统中,射频前端包括SAW/BAW滤波器、双工器、功放、开关等器件。从1G、2G、3G、4G再到5G,工作频段越来越多,同时要求通讯制式向下兼容以满足多模多频。不同频段对PA,LNA,滤波器,天线开关,双工器等需求越来越多。

手机销量上升与频段增加共同促进射频前端数量增长

根据相关资料统计,从2010年至2016年全球射频前端市场规模以每年约12%的速度增长, 2016年达114.88亿美元,未来将以12%以上的增长率持续高增长。2020年接近接近190亿美元。在过去的这些年间,通信行业从2G(GSM/CDMA/Edge)->3G(TD-SCDMA/CDMA2000/WCDMA), ->4G(TD-LTE/FDD-LTE),2次重大网络通讯升级对射频前端要求越来越高,射频前端量价齐升。伴随着5G商业化的临近,5G标准下现有的移动通信,物联网通信标准将统一,因此射频前端芯片的应用领域会进一步放大。

BAW/SAW滤波器大有可为

5G工作于高频,对射频前端的器件高频性能要求更高。与4G相比,采用更高的频率。而高频电路相比于中低频电路需要从材料到器件,从基带芯片到整个射频电路进行重新考量和设计。高频电路基本上都需要针对高频信号以及产品结构进行定制,且呈现小型化的特点。此外,高频电路对器件的尺寸以及电路布局都要做精细化考量。

滤波器是用来消除干扰和过滤杂波的器件。智能手机、卫星导航,小基站等射频前端系统都需要滤波器才能正常工作,将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。未来在智能手机终端中,SAW/BAW滤波器占据手机射频前端一半以上的价值量,是射频前端的重要部件。

SAW 声表面波滤波器

SAW在压电基片材料表面传播。基本结构是压电材料抛光面上制作2个叉指型换能器。分别作为发射换能器和接收换能器。在对压电衬底施以电压(改变晶体内部原子结构),晶体将发生机械形变,发射换能器将电能转换为机械能。当这种晶体被机械压缩或展延时,接收换能器将声信号转换为电信号输出。滤波过程是在电到声和声到电的转换中实现,可以将SAW滤波器等效为一个两端口的无源网络。

BAW体表面波滤波器

BAW在压电材料体内垂直传播。最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜。贴嵌于压电薄膜板顶、底两侧的金属对声波实施激励,使声波从顶部表面反弹至底部,以形成驻声波。而板坯厚度和电极质量决定了共振频率。得到最小loss和最大Q值。

在BAW滤波器大显身手的高频,其压电层的厚度必须在几微米量级,因此,要在载体基板上采用薄膜沉积和微机械加工技术实现谐振器结构。

BAW:(BAW-SMR器件)和 (FBAR滤波器)

BAW-SMR滤波器,为使声波不散漫到基板上,把声波反射到压电层里面。通过堆叠不同刚度和密度的薄层形成一个声布拉格(Bragg)反射器。这种方法称为牢固安装谐振器的BAW或BAW—SMR器件。反射器由好几层高低交替阻抗层组成,比如第一层的声波阻抗大,第二层的声波阻抗小,第三层声波阻抗大,而且每层的厚度是声波的λ/4,这样大部分波会反射回来和原来的波叠加。这种结构整体效果相当于和空气接触,大部分声波被反射回来。

FBAR滤波器是film builk acoustic resonator滤波器简称,译为薄膜腔声谐振滤波器,它不同于以前的滤波器,是使用硅底板,借助MEMS技术以及薄膜技术而制造出来,现阶段FBAR 滤波器已经具备了略高于普通SAW滤波器的特性。薄膜技术是从基材后面蚀刻到表面,形成悬浮的薄膜(thin film)和腔体(cavity)。

5G的高频率和高性能,使得BAW的需求4G LTE基础上大规模爆发。

国产替代悄然勃发

需求量最大的滤波器遭美日企业长期垄断,国产占有率不足2%。全球终端市场的中高端滤波器供应已被前五大厂商瓜分了95%的市场份额,而国内滤波器产业起步较晚。当前国内滤波器厂商主要局限于中低端SAW滤波器的突破,而相对于5G终端高端需求BAW滤波器或者FBAR滤波器,国内已开始有所布局,目前已有部分产品。

润欣科技代理诺思ROFS滤波器

5G时代,氮化镓或将迎来快速发展

氮化镓,GaN,英文名Gallium nitride,是氮和镓的化合物,是一种直接能隙的半导体,自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,禁带宽度为3.4电子伏特,禁带宽度越大,耐高电压和高温性能越好;电子饱和迁移速度达2.7107cm/s,高电子饱和漂移速度与低介电常数的半导体材料具有更高的频率特性。

在射频和功率应用中,氮化镓(GaN)技术正日益盛行已成为行业共识。

由于5G需要大规模MIMO和Sub-6GHz部署,需要使用毫米波(mmWave)频谱,要面对一系列的挑战。GaN技术可以在sub-6GHz 5G应用中发挥重要作用,有助于实现更高数据速率等目标。高输出功率、线性度和功耗要求正在推动基站部署的PA从使用LDMOS技术转换到GaN,GaN为5G sub-6GHz大规模MIMO基站应用提供了多种优势:

GaN在3.5GHz及以上频率下表现良好,而LDMOS在这些高频下受到挑战。

1)GaN具有高击穿电压,高电流密度,高过渡频率,低导通电阻和低寄生电容。这些特性可转化为高输出功率、宽带宽和高效率。

2)采用Doherty PA配置的GaN在100W输出功率下的平均效率达到50%~60%,显着降低了发射功耗。

3)GaN PA的高功率密度可实现需要较少印刷电路板(PCB)空间的小尺寸。

4)在Doherty PA配置中使用GaN允许使用四方扁平无引线(QFN)塑料封装而不是昂贵的陶瓷封装。

5)GaN在高频和宽带宽下的效率意味着大规模MIMO系统可以更紧凑。GaN可在较高的工作温度下可靠运行,这意味着它可以使用更小的散热器。这样可以实现更紧凑的外形。

GaN的光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度发光二极管以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势。并预计在未来几十年内以20%复合年增长率发展。根据相关机构研究数据,2014年基站功放射频功率器件市场规模为11亿美元,其中GaN占比11%,而LDMOS(金属氧化物)占比88%。2017年,GaN市场份额预估增长到了25%,并且预计继续保持增长。GaN预计到2025年将主导RF器件功率市场。