radyo frekansı filtresi teknolojisinin bir incelemesi

sinyal seçiminin anahtarı, işlevi, geri kalanını engellerken istenen frekans sinyallerinin geçmesine izin vermek olan bir radyo frekansı filtresi kullanmaktır. filtrenin çalışma prensibi belirli bir frekansta rezonans oluşturmaktır. oyun alanındaki bir salıncakla karşılaştırılabilir. salıncayı yükseltmek için, itme süresini sarkacın salınımının frekansı ile senkronize etmelisiniz ve salıncak frekansı ile yankılanmalısınız. benzer şekilde, doğru tasarlanmış bir rezonant devre, diğer frekansları bastırırken doğru frekans sinyallerinin geçmesine izin verecektir. i̇stenmeyen frekansları bastırmanın aksine, geçmesine izin verilen semaforun nicel bir ölçüsüne filtre kalitesi (veya q) faktörü denir. q faktörünün mümkün olduğunca yüksek olduğunu umuyoruz. aslında, bir filtre tek bir frekansın geçmesine izin vermek için yeterli değildir. sinyaller, filtrenin bant genişliği olarak adlandırılan belirli bir frekans aralığından geçecektir. bant genişliği gereksinimleri, filtre tarafından sunulan kablosuz standarda göre daraltacak veya genişleyecektir. önemli bir şekilde, filtrenin boyutunun hücresel teknolojideki rezonanstaki sinyalin dalga boyu ile orantılı olduğu da belirtilmelidir. hücresel teknolojide en yaygın kullanılan filtre, esas olarak küçük boyutta ve yüksek q faktörüne sahip oldukları için akustik filtredir. akustik filtre, mekanik stresi elektrik enerjisine dönüştüren piezoelektrik substrat (genellikle lityum tantalat, litao3) adı verilen özel bir substrat üzerine inşa edilmiştir. dalga boyu mikrometre aralığında olan gigahertz frekanslarındaki akustik rezonans fenomeni nedeniyle çok kompakttır, elektromanyetik rezonansa dayalı filtrenin dalga boyu santimetre aralığındadır. bu göz önüne alındığında, rf akustik filtre endüstrisi, son on yılda mobil iletişimin yükselişi ile büyük bir patlama yaşadı ve bu makalede, gelecekteki kablosuz iletişimdeki yeni gelişmeler de dahil olmak üzere çeşitli rf filtre teknolojilerini inceleyeceğimiz ana itici faktörü:

yüzey akustik dalgası sıcaklık telafisine sahiptir; yığın akustik dalga (fbar, smr, cmr, xmr); lc filtresi (ltcc, ipd); kablosuz gelecek için yeni filtreler.

 

i. yüzey akustik dalga (saw) filtreleri

başlangıçta, 1g, 2g ve 3g cep telefonu maksimum çalışma frekansları yaklaşık 2 ghz idi. 2g gsm bandı 900 mhz, pcs bandı 1900 mhz ve 3g phone'un bandı 1 2100 mhz, bant 5, 850 mhz idi. saw filtreleri, bu frekanslarda 800 civarında kalite faktörü elde edebilir, bu da mobil iletişim için yeterlidir. saw filtreleri, üzerinde alüminyum şeritleri olan piezoelektrik substratlara uygulanır. alüminyum şeritler, elektrik sinyallerini akustik dalgalar olarak da bilinen mekanik titreşimlere dönüştürebilen interdigital dönüştürücüler (idt) adı verilen tarak benzeri bir yapıya sahiptir. bu dalgalar, piezoelektrik substratın yüzeyi boyunca yanal olarak yayılır ve her iki tarafta stratejik mesafelere yerleştirilen ve geri tepme ile çarpışır. bu konfigürasyonun fiziksel yapısına göre, saw filtrelerinin spesifik rezonans frekansları vardır.

yüzey akustik dalga (saw) rezonatör

 

sonraki kablosuz standartların çalışma frekansları ve bant genişlikleri büyümeye devam ettikçe, piezoelektrik substratlarda dar alüminyum özellik boyutlarına sahip testere filtrelerinin üretilmesi giderek zorlaşıyor ve 100 mhz'i aşan bir filtre bant genişliği elde ediyor. başka bir sorun, filtre performansının, harici çevresel faktörlerden veya filtre içindeki iç ısı yayılmasından kaynaklanabilecek sıcaklık değişimleri ile değişmesidir. bu sorunların üstesinden gelmek için saw filtre teknolojisindeki iyileştirmeler gereklidir. bu gelişmeler, aşağıdaki metinde göreceğimiz çeşitli teknikleri benimsemiştir.

 

i̇i. sıcaklık tazminatı (tc) testere filtresi

piezoelektrik substratın negatif sıcaklık katsayısı yaklaşık -20 ppm/c ila -40 ppm/c'dir, yani sıcaklık arttıkça frekans tepkisinin daha düşük bir frekansa kayması anlamına gelir. tc-saw filtreleri, aşağıdaki iki teknikten birini kullanarak sıcaklık sapma probleminin üstesinden gelir:

1. idt yapısının üstüne ince bir silikon dioksit (sio2) biriktirilir. sio2'nin pozitif sıcaklık katsayısı, piezoelektrik substratın negatif tepkisini telafi eder ve 0 ppm/c'ye yakın bir frekans ofseti etkili bir şekilde elde eder. bununla birlikte, bu ek filtre kaybına ve sahte rezonans modlarına yol açacaktır.

2. piezoelektrik substratı daha düşük bir termal genleşme katsayısı (safir veya silikon dioksit gibi) ile başka bir substratla bağlayın. ancak bu yöntemin bir öncekinden daha az sıcaklık stabilitesi vardır.

sıcaklık stabilitesi, 4g lte standardının gerekli bir özelliğidir. bant 40 (2.3 - 2.4 ghz) neredeyse wifi'nin alt sınırına (2.401 - 2.483 ghz) çakışır ve bu gerçek filtre doğruluğu üzerine katı gereksinimler getirir. bununla birlikte, kablosuz standart frekans yükseldikçe ve daha yüksek hale geldikçe, idt'deki alüminyum elektrotların genişliği küçülür ve saw filtreleri yakında yüksek iletim gücünde artan kayıp ve elektromigasyon sorunlarıyla karşılaşır. araştırmacılar bu sorunu hafifletmek için çeşitli metal alaşımlarını denemiş olsalar da, şu anda yeni teknolojiler benimseme zamanı.

 

iii. toplu akustik dalga (baw) filtreleri

baw filtreleri, daha yüksek frekanslara kadar uzanma ve daha yüksek güç gereksinimlerini ele alma sorunlarını ele alır. yığın piezoelektrik malzemelerin rezonant fenomenini kullanan akustik dalga filtreleri oluşturmak için iki yöntem vardır:

1. i̇nce film yığın akustik rezonatör (fbar)

2. yüzey montaj rezonatörü (smr)

 

iv. i̇nce film akustik dalga rezonatörü (fbar)

fbar'ın çalışma prensibi basit ve anlaşılması kolaydır. üst ve alt elektrotlar arasında sandviçlenmiş piezoelektrik malzemelerden oluşur. ters piezoelektrik etki nedeniyle elektrotlara alternatif bir voltaj uygulandığında, substratta mekanik suş üretilir. bu, iki elektrot arasında ileri geri yansıtan akustik dalgalar ile sonuçlanır, böylece bir rezonatör oluşturur. daha sonra, rezonatörlerin birleştirilmesiyle bir baw filtresi üretilir.

fbar'daki "ince film", destekleyici bir substrat üzerinde asılı bir biçimde uygulanan elektrotları ve piezoelektrik substrat anlamına gelir. destekleyici substrat, substratın serbest titreşimini (ve rezonansını) sağlamak için piezoelektrik malzemenin altında seçici olarak kazınır. alt elektrot ve hava arasındaki yüksek akustik empedans arayüzü, akustik dalgaların piezoelektrik malzemeye geri yansıtılmasını sağlar ve rezonatör oluşturur.

film tabanlı toplu akustik rezonatör (fbar)

 

bu çalışma prensibine dayanarak ve piezoelektrik malzeme olarak alüminyum nitrür (aln) kullanma, 2-8 ghz aralığında 2000'den büyük bir q faktörü elde edilebilir, bu da 4g lte/5g uygulamaları için ideal bir seçimdir. fbar sıcaklık değişikliklerine uyum sağlayabilir ve cmos döküm işlemleri ile uyumludur. bu, broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) ve taiyo yuden gibi birçok büyük işletmenin bu alana katılmasını sağlayan fbar teknolojisinin cazibesini çekici hale getirir.

fbar filtrelerinin çalışma frekansını artırma yöntemi, aln substratı incelmektir. örneğin, 120nm'ye düşürerek fbar 24 ghz'de çalışabilir. yüksek frekanslı çalışma elde etmek için bir başka yöntem de, üst düzey rezonans modları ve aşırı modellenmiş baw (obar) rezonatörlerini kullanmaktır.

baw filtrelerinin dezavantajı, büyük bant genişliğine sahip filtreler üretmek zordur. bant genişliği büyük ölçüde piezoelektrik malzemenin özelliklerine bağlıdır. bant genişliğini arttırmak için, araştırmacılar skandiyumu aln'ye başarıyla kattılar, böylece bant genişliğini iki kattan fazla artırdılar. lityum niobat (linbo3 veya ln) gibi güçlü piezoelektrik malzemeler de iyi sonuçlar göstermiştir.

 

v. sabit rezonatör (smr)

fbar'ın özü, elektrot ve hava arayüzü arasında yüksek bir empedansın varlığında yatar ve ses dalgalarının rezonatöre geri yansıtılmasına izin verir. aynı etki, üst ve alt elektrotlara sahip piezoelektrik malzemenin altına akustik bragg reflektörü yerleştirilerek elde edilebilir.

akustik bragg reflektörü, bir dizi alternatif yüksek ve düşük empedans katmanından (tungsten ve silikon dioksit gibi) oluşur, bu nedenle sinyalin her arayüz kısmı geri yansıtılır. bragg reflektöründe ne kadar fazla katman olursa, çoklu yansımalar nedeniyle reflektör tarafından sunulan empedans o kadar yüksek olur. bragg reflektörünü baw rezonatörünün alt elektrotunun altına yerleştirerek, sinyal tekrar piezoelektrik malzemeye yansıtılır, böylece rezonansa neden olur.

sabit mod rezonatörler (smr)

smr baw filtresi olağanüstü performansa sahiptir. örneğin, qorvo, 40w'lık bir zirve ile 5w rf gücünü işleyebilen bir smr filtresi bildirdi. son zamanlarda, skandiyum doping kullanan ve 1-8 ghz aralığında işlemi destekleyen ve 5g ve wi-fi 6e frekans bantlarını kapsayan yeni bir smr baw filtresi bildirdiler.

 

vi. profil modu rezonatörleri (cmr) ve xmr

fbar ve smr baw filtreleri için, fiziksel yapılarına göre sadece bir rezonans elde edilebilir, bu da her çalışma frekans bandı için farklı filtre çipleri gerekli olduğu anlamına gelir. hücresel frekans bantlarındaki hızlı artışla, tek bir baw çipinde birden fazla çalışma frekans bandı uygulamak gerekir. profil modu rezonatör (cmr) baw teknolojisi, çok bantlı çalışma için geliştirilmiştir.

cmr baw rezonatörünün fiziksel yapısı, testere filtrelerinde kullanılan idt yapısının ve baw filtrelerinde kullanılan alt elektrotun bir karışımıdır. sonuç olarak, hem lateral (testere gibi yüzey boyunca) hem de uzunlamasına (baw gibi) yönlerde çoklu rezonant modlar uyarılabilir ve farklı frekanslarda eşzamanlı rezonant modları gerçekleştirir. bu, aynı anda birden fazla frekans bantını işleyebilen çok bantlı baw rezonatörlerinin tasarımını sağlar.

fbar, smr ve cmr'de, geniş bir filtre bant genişliği elde etmek, sınırlı bağlantı katsayısı nedeniyle her zaman bir sorun olmuştur. birleştirme derecesini arttırmak ve böylece filtre bant genişliğini arttırmak için araştırmacılar, birden fazla çalışma modunu birleştirmek için yöntemler keşfettiler. araştırmacılar, rezonatörün metal şeklini genel bakış açısından tasarlamak yerine, enine kesitine ve ilgili modlarına bakarak rezonatör tasarlarlar. baw filtre elektrotlarının karmaşık tasarımı sayesinde, geniş bant genişliği için xmr adı verilen yeni bir baw filtresi geliştirilmiştir. bu tür filtreler çok yeni, hala araştırma ve geliştirme altında.

 

vii. entegre elementli filtreler

5g yeni radyo (nr) dönemine girerken, n77-n79 frekans bantlarının bant genişliği önceki nesillerden on kat daha büyüktür. piezoelektrik malzemelerden nispeten düşük birleşmesi nedeniyle, saw ve baw teknolojileri her zaman aşırı bant genişliği sorunu yaşadı. bu sorunu çözmek için, bugünün 5g akıllı telefonları genellikle entegre element lc filtreleri kullanır. i̇ndüktörler (l) ve kapasitörler (c), düşük sıcaklıkta eşleştirilmiş seramikler (ltcc) veya entegre pasif cihazlar (ipd) gibi çok katmanlı substratlara uygulanır. bu tür pasif cihazların substrat üzerindeki q değerleri yüksek değildir. bu nedenle, bu filtreler iyi seçiciliğe sahip değildir. bu hala iki nedenden dolayı tolere edilebilir:

1. 5g frekans bantlarının işgali hala önceki nesiller kadar yoğun değildir, bu nedenle filtrenin daha düşük seçiciliği kabul edilebilir.

2. 5g tarafından gereken geniş filtre bant genişliği elde edilebilir. saw/baw bu kullanım durumunda iyi performans göstermediğinden, başka bir seçenek yoktur.

ltcc filtreleri yapmanın ana dezavantajı, çok katmanlı bir yöntem kullanarak pasif elemanların uygulanmasının, çok büyük ve ince modern akıllı telefonlar için uygun olmayan bir genel kalınlık ile sonuçlanmasıdır. ayrıca, üretim sürecindeki düşük tolerans iyi verim oranları getiremez.

ipd, özellikle cam substratlarda uygulandığında daha gelişmiş bir teknolojidir. üretim toleransı daha katıdır, kalınlık daha küçüktür ve yüksek yoğunluklu metal insülatör-metal (mim) kapasitörler elde edilebilir, böylece daha kompakt ve daha sıkı kontrol edilen filtreler sağlar. gaas ipd kullanılırsa, filtreyi etkin devreye entegre etmek mümkündür. bununla birlikte, wifi 7 ve 6g hücresel teknolojilerin yükselişiyle, sınırlı q değeri ve zayıf seçicilik gelecekte sorun haline gelecektir. gelecekte daha karmaşık filtrelere ihtiyaç duyulacaktır.

 

viii. gelecek için görünüm

rf filtre teknolojisinin geleceğinde incelenecek ve araştırılacak birçok yenilikçi yöntem var. hala tüm hedeflere ulaşmaktan çok uzaktayız. yine de, bazı heyecan verici gelişmeler. ultra yüksek performans (ihp) testere: murata, q değeri 4000'i (sıradan testereden 4 kattan fazla) aşan ve 5 ghz üzerinde çalışma frekansı olan bir testere filtresi gösterdi. performans sınırlarını kırmak için şu anda destekleyici substrat ve piezoelektrik malzemelerin çeşitli kombinasyonları incelenmektedir.

xbar: rezonant inc., 2022 yılında, tescilli xbar teknolojisine (saw ve fbar baw teknolojilerinin benzersiz bir kombinasyonu) sahip olan ve 5g nr uygulamaları (n79 frekans bandı dahil) için akustik filtreler sağlaması beklenen murata tarafından satın alındı.

xbaw: akustis, 5g ve modern wifi teknolojileri için yüksek performanslı geniş bant akustik filtreler sunmayı vaat eden başka bir şirkettir. tescilli teknolojilerini, polikristalin aln ​​filmlerinden daha iyi piezoelektrik özelliklere sahip tek kristal aln filmleri kullanarak geliştirirler.

hibrit: gelecekteki rf filtreleri, bir kazan-kazan etkisi elde etmek için özenle tasarlanmış akustik filtreler ve lc filtrelerinin bir kombinasyonunu benimseyebilir. yayınlanmış araştırma, bant genişliğinin 900 mhz (3.3 - 4.2 ghz) olduğunu ve 4.4 ghz'de (bant n79), 36 db baskılama sağladığını ve kesinlikle parlak bir potansiyel müşteriye sahip olan sadece 200 mhz farkı sağladığını göstermektedir.