무선 주파수 필터 기술의 검토

신호 선택의 핵심은 무선 주파수 필터를 사용하는 것인데, 그 기능은 나머지를 차단하는 동안 원하는 주파수의 신호를 통과 할 수 있도록하는 것입니다. 필터의 작동 원리는 특정 주파수에서 공명을 생성하는 것입니다. 놀이터의 스윙과 비교할 수 있습니다. 스윙을 더 높이려면 진자의 스윙 주파수와 밀어 넣는 시간을 동기화하고 스윙 주파수와 공명해야합니다. 마찬가지로, 올바르게 설계된 공진 회로는 다른 주파수를 억제하면서 올바른 주파수의 신호를 통과 할 수있게합니다. 원치 않는 주파수를 억제하는 것과 반대로 통과 할 수있는 세마포어의 정량적 측정을 필터 품질 (또는 q) 계수라고합니다. q 요인이 가능한 한 높기를 바랍니다. 실제로, 필터는 단일 주파수를 통과시키기에 충분하지 않습니다. 신호는 필터의 대역폭이라고하는 특정 주파수 범위를 통과합니다. 필터에서 제공하는 무선 표준에 따라 대역폭 요구 사항이 좁거나 넓어집니다. 현저하게, 필터의 크기는 셀룰러 기술에서 공명시 신호의 파장에 비례한다는 점에 주목해야한다. 셀룰러 기술에서 가장 널리 사용되는 필터는 음향 필터입니다. 주로 크기가 작고 q 계수가 높기 때문입니다. 음향 필터는 기계적 응력을 전기 에너지로 변환하고 그 반대의 경우도 마찬가지로 압전 기판 (일반적으로 리튬 탄탈 레이트, litao3)이라고하는 특수 기판 위에 구축됩니다. 그것들은 gigahertz 주파수에서의 음향 공명 현상으로 인해 매우 작고, 그 중 파장은 마이크로 미터 범위 내에 있으며, 전자기 공명에 기초한 필터의 파장은 센티미터 범위 내에 있습니다. 이를 감안할 때, rf acoustic filter industry는 지난 10 년 동안 모바일 통신의 증가로 인해 큰 붐을 겪었으며,이 기사의 주요 주행 요소는 미래의 무선 통신의 새로운 개발을 포함하여 다양한 rf 필터 기술을 연구 할 것입니다.

표면 음향 파는 온도 보상을 가지고 있습니다. 벌크 음향 파 (fbar, smr, cmr, xmr); lc 필터 (ltcc, ipd); 무선 미래를위한 새로운 필터.

 

i. 표면 음향 파 (saw) 필터

처음에는 1g, 2g 및 3g 휴대폰의 최대 작동 주파수는 약 2ghz였습니다. 2g gsm 밴드는 900mhz, pcs 밴드는 1900mhz이고 3g 전화의 밴드 1은 2100mhz이고 대역 5는 850mhz였습니다. 톱 필터는 이러한 주파수에서 약 800의 품질 계수를 달성 할 수 있으며, 이는 이동 통신에 충분합니다. 톱 필터는 알루미늄 스트립이있는 압전 기판에서 구현됩니다. 알루미늄 스트립은 전기 신호를 음향 파로도 알려진 기계적 진동으로 변환 할 수있는 interdigital transducers (idt)라고하는 빗 형 구조를 가지고 있습니다. 이 파도는 압전 기판의 표면을 따라 측면으로 전파되고 양쪽의 전략적 거리에 배치 된 다른 idt와 충돌하고 반등합니다. 이 구성의 물리적 구조에 따르면, 톱 필터에는 특정 공진 주파수가 있습니다.

표면 음향 파 (톱) 공진기

 

후속 무선 표준의 작업 주파수와 대역폭이 계속 증가함에 따라 압전 기판에서 좁은 알루미늄 기능 크기로 톱 필터를 제조하는 것이 점점 어려워지고 100mhz를 초과하는 필터 대역폭을 달성합니다. 또 다른 문제는 필터 성능이 온도 변화에 따라 변경되며, 이는 외부 환경 요인 또는 필터 내의 내부 열 소산으로 인해 발생할 수 있다는 것입니다. 이러한 문제를 극복하려면 톱 필터 기술의 개선이 필요합니다. 이러한 개선 사항은 다양한 기술을 채택했으며 다음 텍스트에서 볼 수 있습니다.

 

ii. 온도 보상 (tc) 톱 필터

압전 기판의 음의 온도 계수는 약 -20 ppm/c ~ -40 ppm/c이며, 이는 온도가 상승함에 따라 주파수 응답이 더 낮은 주파수로 이동 함을 의미합니다. tc-saw 필터는 다음 두 가지 기술 중 하나를 사용하여 온도 드리프트 문제를 극복합니다.

1. 이산화 실리콘 (sio2)의 얇은 층이 idt 구조의 상단에 증착된다. sio2의 양의 온도 계수는 압전 기판의 음성 응답을 보상하여 0 ppm/c에 가까운 주파수 오프셋을 효과적으로 달성합니다. 그러나 이것은 추가 필터 손실과 가짜 공진 모드로 이어질 것입니다.

2. 열 팽창 계수 (예 : 사파이어 또는 이산화 실리콘)를 갖는 다른 기질과 압전 기판을 다른 기판과 결합한다. 그러나이 방법은 이전 방법보다 온도 안정성이 적습니다.

온도 안정성은 4g lte 표준의 필수 특성입니다. 대역 40 (2.3-2.4ghz)은 wifi의 하한 (2.401-2.483ghz)과 거의 일치 하며이 사실은 필터 정확도에 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 그러나 무선 표준 주파수가 점점 높아지면 idt의 알루미늄 전극의 폭이 작아지고 필터가 곧 높은 전송 전력에서 손실 및 전기 이민 문제에 직면했습니다. 연구원들은이 문제를 완화하기 위해 다양한 금속 합금을 시도했지만 현재 새로운 기술을 채택해야 할 때입니다.

 

iii. 벌크 음향 파 (baw) 필터

baw 필터는 더 높은 주파수로 확장하고 더 높은 전력 요구 사항을 처리하는 문제를 해결합니다. 벌크 압전 재료의 공진 현상을 사용하는 음향 파 필터를 생성하는 두 가지 방법이 있습니다.

1. 박막 벌크 음향 공진기 (fbar)

2. 표면 마운트 공진기 (smr)

 

iv. 박막 음향 웨이 싱 전환기 (fbar)

fbar의 작동 원리는 간단하고 이해하기 쉽습니다. 상단과 하단 전극 사이에 끼워진 압전 재료로 구성됩니다. 역 압전 효과로 인해 교류 전압이 전극에 적용될 때, 기판에서 기계적 변형이 생성된다. 이로 인해 두 전극 사이를 앞뒤로 반사하는 음향파가 생겨 공진기가 형성됩니다. 그런 다음 공진기를 함께 결합하여 baw 필터를 제작합니다.

fbar의 "박막"은지지 기판 상에 현탁 된 형태로 구현 된 전극 및 압전 기판을 지칭한다. 지지 기판은 기판의 자유 진동 (및 공명)을 가능하게하기 위해 압전 재료 아래에서 선택적으로 에칭된다. 바닥 전극과 공기 사이의 높은 음향 임피던스 인터페이스는 음향파가 압전 재료로 다시 반사되어 공진기를 형성합니다.

필름 기반 벌크 음향 공진기 (fbar)

 

이 작업 원리와 질화증 (aln)을 압전 재료로 사용하는 알루미늄 (aln)을 사용하여 2000보다 큰 q 계수는 2-8ghz 범위 내에서 달성 될 수있어 4g lte/5g 응용 분야에 이상적인 선택입니다. fbar은 온도 변화에 적응할 수 있으며 cmos foundry 프로세스와 호환됩니다. 이로 인해 fbar 기술의 상용화가 broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) 및 taiyo yuden과 같은 많은 대기업 이이 분야에 합류하게됩니다.

fbar 필터의 작동 주파수를 증가시키는 방법은 aln 기판을 얇게하는 것입니다. 예를 들어, 120nm로 줄임으로써 fbar은 24ghz에서 작동 할 수 있습니다. 고주파수 작동을 달성하는 또 다른 방법은 고차 공진 모드와 obar (over-moduculated baw) 공진기를 사용하는 것입니다.

baw 필터의 단점은 큰 대역폭으로 필터를 제조하기가 어렵습니다. 대역폭은 대체로 압전 재료의 특성에 따라 다릅니다. 대역폭을 높이기 위해 연구자들은 스칸디움을 aln으로 성공적으로 도핑하여 대역폭을 두 번 이상 증가 시켰습니다. 리튬 니오 베이트 (linbo3 또는 ln)와 같은 강한 압전 재료도 좋은 결과를 보여 주었다.

 

v. 고정 공진기 (smr)

fbar의 본질은 전극과 공기 인터페이스 사이의 높은 임피던스가 존재하므로 음파가 공진기에 다시 반사 될 수 있습니다. 상부 및 하단 전극이있는 압전 재료 아래에 소위 음향 브래그 반사기를 배치함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.

어쿠스틱 브래그 반사판은 일련의 교류 고 임피던스 층 (예 : 텅스텐 및 실리콘 이산화 실)로 구성되므로 신호의 각 인터페이스 부분이 다시 반사됩니다. bragg 반사판의 층이 많을수록 다중 반사로 인해 반사기에 의해 제시된 임피던스가 높아집니다. baw 공진기의 바닥 전극 아래에 bragg 반사기를 배치함으로써, 신호는 압전 재료로 다시 반사되어 공명을 유발합니다.

고정 모드 공진기 (smr)

smr baw 필터에는 뛰어난 성능이 있습니다. 예를 들어, qorvo는 40w의 피크로 5w의 rf 전력을 처리 할 수있는 smr 필터를보고했습니다. 최근에 그들은 scandium doping을 사용하고 1-8ghz 범위에서 작동을 지원하는 새로운 유형의 smr baw 필터를보고하여 5g 및 wi-fi 6e 주파수 대역을 포함합니다.

 

vi. 프로파일 모드 공진기 (cmr) 및 xmr

fbar 및 smr baw 필터의 경우 물리적 구조에 따라 하나의 공명 만 달성 할 수 있으며, 이는 각 작업 주파수 대역에 대해 다른 필터 칩이 필요하다는 것을 의미합니다. 셀룰러 주파수 대역이 급격히 증가함에 따라 단일 baw 칩에서 다중 작업 주파수 대역을 구현해야합니다. 프로파일 모드 공진기 (cmr) baw 기술은 다중 대역 작동을 위해 개발되었습니다.

cmr baw 공진기의 물리적 구조는 톱 필터에 사용 된 idt 구조와 baw 필터에 사용되는 바닥 전극의 혼합물입니다. 결과적으로, 다수의 공진 모드는 측면 (톱과 같은 표면을 따라) 및 종 방향 (예 : baw) 방향 모두에서 흥분 될 수 있으며, 다른 주파수에서 동시 공진 모드를 실현할 수있다. 이를 통해 여러 주파수 대역을 동시에 처리 할 수있는 다중 대역 baw 공진기의 설계가 가능합니다.

fbar, smr 및 cmr에서 넓은 필터 대역폭을 달성하는 것은 제한된 커플 링 계수로 인해 항상 문제가되었습니다. 커플 링 정도를 높이고 필터 대역폭을 증가시키기 위해 연구원들은 여러 운영 모드를 결합하는 방법을 발견했습니다. 개요 관점에서 공진기의 금속 모양을 순전히 설계하는 대신, 연구원들은 단면 및 관련 모드를 보면 공진기를 설계합니다. baw 필터 전극의 복잡한 설계를 통해 xmr이라는 새로운 유형의 baw 필터가 넓은 대역폭을 위해 개발되었습니다. 이러한 필터는 여전히 연구 및 개발 중입니다.

 

vii. 통합 요소 필터

우리가 5g new radio (nr) 시대에 들어서면서 n77-n79 주파수 대역의 대역폭은 이전 세대의 대역폭보다 10 배 더 큽니다. 압전 재료를 통한 커플 링이 상대적으로 낮기 때문에 saw 및 baw technologies는 항상 과도한 대역폭의 문제가있었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 오늘날의 5g 스마트 폰은 일반적으로 integrated-element lc 필터를 사용합니다. 인덕터 (l) 및 커패시터 (c)는 저온 공동 연합 세라믹 (ltcc) 또는 ipd (integrated passive devices)와 같은 다층 기판에서 구현됩니다. 기판에서 이러한 수동 장치의 q 값은 높지 않습니다. 따라서,이 필터는 선택성이 양호하지 않습니다. 이것은 두 가지 이유로 여전히 허용 될 수 있습니다.

1. 5g 주파수 대역의 직업은 여전히 ​​이전 세대의 점령만큼 밀도가 높지 않으므로 필터의 낮은 선택성이 허용 될 수 있습니다.

2. 5g에 필요한 와이드 필터 대역폭을 달성 할 수 있습니다. 이 사용 사례에서는 톱/baw가 잘 수행되지 않기 때문에 다른 옵션은 없습니다.

ltcc 필터를 만드는 데있어 주요 단점은 다층 방법을 사용하여 수동 요소를 구현하면 전체 두께가 너무 커서 현대적인 스마트 폰에 적합하지 않다는 것입니다. 더욱이, 제조 공정의 낮은 내성은 좋은 수율 속도를 가져올 수 없다.

ipd는 특히 유리 기판에서 구현 될 때보다 진보 된 기술입니다. 제조 내성은 더 엄격하고 두께는 더 작으며, 고밀도 금속-삽입기 금속 (mim) 커패시터를 달성 할 수 있으므로보다 컴팩트하고보다 엄격하게 제어 된 필터를 가능하게합니다. gaas ipd를 사용하는 경우 필터를 활성 회로와 통합 할 수 있습니다. 그러나 wi -fi 7 및 6g 셀룰러 기술이 증가함에 따라 제한된 q 값과 불량한 선택성은 미래에 문제가 될 것입니다. 향후 더 복잡한 필터가 필요할 것입니다.

 

viii. 미래에 대한 전망

rf 필터 기술의 미래에는 여전히 많은 혁신적인 방법을 연구하고 탐구해야합니다. 우리는 여전히 모든 목표를 달성하지 못하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 여기에 흥미로운 발전이 있습니다. 초고 성능 (ihp) 톱 : murata는 q 값이 4000 (일반 톱보다 4 배 이상 높음)과 5ghz 이상의 작동 주파수를 가진 톱 필터를 보여주었습니다. 지지 기판 및 압전 재료의 다양한 조합이 현재 성능 제한을 뚫기 위해 연구되고 있습니다.

xbar : resonant inc.는 2022 년 murata에 의해 인수되었으며, 그는 독점적 인 xbar 기술 (saw 및 fbar baw technologies의 고유 한 조합)을 보유하고 있으며 5g nr 응용 분야 (n79 주파수 대역 포함)에 대한 음향 필터를 제공 할 것으로 예상됩니다.

xbaw : akoustis는 5g 및 최신 wifi 기술에 고성능 광대역 음향 필터를 제공 할 것을 약속하는 또 다른 회사입니다. 그들은 다결정 aln 필름보다 더 나은 압전 특성을 가진 단결정 aln 필름을 사용하여 독점 기술을 개발합니다.

하이브리드 : 향후 rf 필터는 윈윈 효과를 달성하기 위해 신중하게 설계된 음향 필터와 lc 필터의 조합을 채택 할 수 있습니다. 게시 된 연구에 따르면 대역폭은 900mhz (3.3-4.2ghz)이고 4.4ghz (밴드 n79)는 200mhz 차이만으로 36db의 억제를 제공하며, 이는 확실히 밝은 전망을 갖습니다.