Радиочастотная фильтрация для 5G устройств миллиметровых волн. Часть 3
Мы рассмотрим семь распространенных без-чиповых способов создания фильтров.
Кристаллические фильтры используют кварцевый кристалл как резонансный элемент. Высокий Q кварцевого резонатора обеспечивает очень крутой полосковый пропуск. Такие фильтры обычно используются на IF частотах в диапазоне 10 МГц и фактор Q оказывается в диапазоне от 10 000 до 100 000.
SAW/BAW (Поверхностная акустическая волна и объемная акустическая волна). Акустические фильтры покрывают диапазон частот до 6 ГГц и предлагают хорошую эффективность относительно затрат, делая их сегодня доминирующим подходом без-чиповой технологии в мобильных устройствах.
Керамические фильтры покрывают диапазон от ~100 МГц до ~8 ГГц и предлагают аналогичную производительность с дискретными конструкциями индуктивно-конденсаторных (LC) элементов с сосредоточенными элементами, но могут быть реализованы в компактных корпусах с поверхностным монтажом. Производительность и толщина корпуса могут стать ограничивающим фактором в сравнении керамических фильтров с SAW/BAW.
Сосредоточенный элемент. Дискретный LC подход обеспечивает низкие затраты на реализацию фильтра, но в таких устройствах ограничены достижимые факторы Q. Фильтры с дискретными сосредоточенными элементами обычно используются в диапазоне от 30 МГц до 300 МГц, но в принципе могут быть выполнены для устройств до 40 ГГц. На миллиметровых частотах фильтры на дискретных сосредоточенных элементах очень сложно реализовать из-за размерных ограничений, наложенных частотой, так как элементы фильтра должны быть значительно меньше, чем длина волны линии передачи.
Резонаторные фильтры распространены на частотах от 40 МГц до 960 МГц и могут предложить высокую избирательность на высокой мощности. Они могут достичь высокой производительности, но они физически большие и обычно встречаются в инфраструктурных устройствах, таких как для дополнительной фильтрации на базовом блоке.
Планарные фильтры производятся с использованием тонкопленочного процесса и в зависимости от топологии фильтра могут предложить высокий Q и разумный подход для достижения хорошей производительности в небольших размерах по сравнению с дискретными сосредоточенными элементами. В тонкопленочном подходе с сосредоточенными элементами, линии передачи фильтра печатаются в различных конфигурациях в зависимости от требуемой производительности, а элементы фильтра реализуются через дискретные резистивные, емкостные или индуктивные элементы. Фильтры с планарными распределенными элементами полагаются на тщательно распределенные линии передачи для создания резонаторных структур и могут быть разработаны с меньшими зазорами, чем фильтры с сосредоточенными элементами. Разработки с распределенными элементами более практичны, чем с сосредоточенными элементами, на увеличенных частотах. Планарные фильтры могут быть разработаны из температурно-стабильной керамики для обеспечения стабильной частотной производительности при изменении температуры.
Волноводные фильтры характеризуются высокой способностью работать с заданной мощностью, что приводит к их широкому использованию в радиолокации и низким потерям, учитывая, что сам волновод является средой с малыми потерями.
Рис.1 показывает диапазоны частот, покрываемые этими технологиями фильтрации. График показывает, что главным выбором для фильтрации в mmWave устройствах (то есть ~30ГГц и выше) оказываются Резонаторные, Планарные тонкопленочные и Волноводные фильтры. Все эти три подхода дают свои собственные преимущества и базируются на принятых всегда доступных технологиях. Давайте посмотрим на некоторые из характеристик эффективности, важных для фильтрационных устройств как в обычных, так и в 5G коммуникациях.
Процентная полоса пропускания. Где полоса пропускания является шириной полосы пропускания полосового фильтра и выражается как разность частот между нижними и верхними точками 3 дБ, процентная полоса пропускания является общей относительной величиной, которая сравнивает полосу пропускания с частотой носителя. Обычно рассчитывается как 3dBW/(центральная частота). Процентная полоса пропускания видимо будет важным вопросом для 5G mmWave устройств. Одной из желательных характеристик миллиметрового спектра является возможность доступа к большим полосам пропускания (и, следовательно, к увеличению скорости передачи данных). Ограничивать пропускную способность системы радиодоступа из-за доступной технологии фильтрации нежелательно.
Q фактор. Фактор качества (Q) резонатора – это мера селективности резонатора, выражается как отношение накопленной и потерянной энергии за цикл колебаний. Общие потери через резонатор увеличиваются с уменьшением Q фактора и будут увеличиваться еще быстрее с частотой для более низких значений резонатора Q. В результате края полосы пропускания становятся более закругленными, и полоса пропускания сужается при снижении Q.
Селективность – это еще один способ подхода к фактору Q, и измерение способности фильтра проходить или отказывать на определенных частотах относительно центральной частоты фильтра. Селективность обычно определяется как потери через фильтр, которые происходят на некотором определенном расстоянии от центральной частоты. Фильтр с высокой селективностью показывает высокий уклон при переходе от прохода к остановке – селективность критически важна в окружении, где соседние каналы находятся близко друг к другу и высокая селективность дает разработчикам возможность качественно использовать доступную полосу пропускания.
Вносимые потери. Потери мощности сигнала в фильтре. Важно учитывать на стороне Тх, так как мощность является фактором, влияющим на стоимость системы, а на стороне Rx, потому что потери влияют на общий коэффициент шума приемника.
Стабильность температуры. Не часто в спецификациях фильтров указывается, что способность фильтра сохранять свои характеристики (не только центральную частоту, но процентную полосу пропускания и селективность) в зависимости от температуры является важным фактором, который необходимо учитывать в системах, которые хотят эффективно использовать доступную полосу пропускания. В ближайшем будущем mmWave устройства в 5G, такие как FWA, повлекут за собой системы небольшого размера (например, для монтажа на полюсе) в открытых условиях, такие как сегодняшние Малые Ячейки (Small Cells). Такие сценарии развертывания подняли планку, когда это касается способности противостоять как экстремальным температурам, так и колебаниям температуры. Более того, общее уменьшение размеров систем привело к тому, что плотно заселенные платы или тепло с окружающих компонентов могут влиять на стабильность фильтра.
Управление мощностью. Способность фильтра выдерживать большую передаваемую RF мощность – это серьезная проблема для традиционных макро-ячеистых устройств меньше 3 ГГц. В mmWave 5G устройствах передаваемая мощность будет распределяться по индивидуальным элементам в фазированных антенных системах и там, где диапазон передачи на этих частотах уменьшен, фильтрам нет нужды выдерживаться большую мощность.
Тип корпуса и Размер корпуса. Эти факторы касаются того, как фильтр физически исполнен. Содержится ли фильтр в довольно громоздкой соединительной упаковке или он может быть реализован в виде компактного поверхностного монтажа или конфигурации с flip-chip микросхемой? Насколько надежны соединения на миллиметровых частотах – то есть как корпус влияет на объем пост сборочной настройки, которую система должна пройти перед отгрузкой? Размер компонента станет ключевым стимулирующим (или ограничивающим) фактором в практических mmWave разработках. В фазированных антеннах элементы должны быть достаточно близко друг к другу, чтобы избежать образования дифракционных лепестков – и иметь зазор в половину длины волны для mmWave частот, что составляет несколько миллиметров. Итоговый компактный элемент должен найти способ вместить необходимую фильтрацию и, в зависимости от того, где развернута RF фильтрация в архитектуре, зазор для фильтра выйдет на первый план, а компактный корпус станет очень желательным.
Посмотрев на доступные технологии на mmWave частотах, мы можем сделать некоторые общие выводы о том, какие методы будут скорее всего полезны в системах 5G. Способ сделать это – посмотреть на факторы, приведенные выше в Таблице 3.
Когда мы анализируем некоторые ключевые факторы, влияющие на 5G mmWave разработки, мы видим, что наиболее желательным методом реализации оказывается планарный тонкопленочный фильтр с точки зрения размера, стоимости и приемлемой производительности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Частоты миллиметрового спектра будут играть ключевую роль в 5G коммуникациях. RF технология, которая была разработана вокруг существующих mmWave устройств, продвинулась дальше, чтобы обеспечить потребности 5G беспроводного доступа.
Фильтрация в 5G устройствах будет настолько же важна на mmWave частотах, насколько она важна на частотах ниже 3 ГГц, но только с новым набором сложностей, возникающих из-за доступных технологий фильтрации и характеристик mmWave систем.
5G системы потребуют фильтры с высоким процентом полосы пропускания, хорошей селективностью и отличной температурной стабильностью в компактных корпусах, но не потребуют способности управления очень высокой мощностью.
Базируясь на данных критериях, наиболее желательным методом становится планарный тонкопленочный фильтр. Успешно реализованные фильтры с использованием тонкопленочного производства требуют правильного выбора подложки (чтобы обеспечить подходящий высокий Q) и достаточно высокие зазоры (чтобы обеспечить повторяемую производительность на всю партию mmWave устройств). Решение этих вопросов разработки будет предметом нашей следующей статьи.
ССЫЛКИ
[1] www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/act/R-ACT-WRC.11-2015-PDF-E.pdf
[2] wcnc2011.ieee-wcnc.org/tut/t1.pdf
