une revue de la technologie des filtres radiofréquences

la clé de la sélection du signal consiste à utiliser un filtre radiofréquence, dont la fonction est de permettre aux signaux de la fréquence souhaitée de passer tout en bloquant le reste. le principe de travail du filtre est de générer une résonance à une fréquence spécifique. il peut être comparé à un swing sur le terrain de jeu. pour faire monter le swing, vous devez synchroniser le temps de poussée avec la fréquence de la balançoire du pendule et résonner avec la fréquence du swing. de même, un circuit de résonance correctement conçu permettra aux signaux de la bonne fréquence de passer tout en supprimant d'autres fréquences. une mesure quantitative du sémaphore qui est autorisée à passer, au lieu de supprimer les fréquences indésirables, est appelée facteur de qualité du filtre (ou q). nous espérons que le facteur q est aussi élevé que possible. en fait, un filtre n'est pas suffisant pour permettre à une seule fréquence de passer. les signaux passeront par une certaine plage de fréquences, qui s'appelle la bande passante du filtre. les exigences de la bande passante se rétréciront ou s'élargiront en fonction de la norme sans fil desservie par le filtre. de manière significative, il convient également de noter que la taille du filtre est proportionnelle à la longueur d'onde du signal en résonance dans la technologie cellulaire. le filtre le plus utilisé dans la technologie cellulaire est le filtre acoustique, principalement parce qu'ils sont de petite taille et ont un facteur q élevé. le filtre acoustique est construit sur un substrat spécial appelé substrat piézoélectrique (généralement le lithium tantalate, litao3), qui convertit la contrainte mécanique en énergie électrique et vice versa. ils sont très compacts en raison du phénomène de résonance acoustique aux fréquences gigahertz, dont la longueur d'onde se situe dans la plage du micromètre, tandis que la longueur d'onde du filtre basé sur la résonance électromagnétique se situe dans la plage de centimètres. compte tenu de cela, l'industrie du filtre acoustique rf a connu un énorme boom au cours de la dernière décennie avec la montée en puissance des communications mobiles, et la taille est son principal facteur de conduite dans cet article, dans lequel nous étudierons diverses technologies de filtre rf, y compris de nouveaux développements dans la future communication sans fil:

l'onde acoustique de surface a la compensation de température; onde acoustique en vrac (fbar, smr, cmr, xmr); lc filter (ltcc, ipd); nouveaux filtres pour l'avenir sans fil.

 

i. filtres d'onde acoustique de surface (saw)

initialement, les fréquences de fonctionnement maximales des téléphones mobiles 1g, 2g et 3g étaient d'environ 2 ghz. la bande gsm 2g était de 900 mhz, la bande pcs était de 1900 mhz et la bande 1 du téléphone 3g était de 2100 mhz, tandis que la bande 5 était de 850 mhz. les filtres saw peuvent atteindre un facteur de qualité d'environ 800 à ces fréquences, ce qui est suffisant pour les communications mobiles. les filtres saw sont mis en œuvre sur des substrats piézoélectriques, qui ont des bandes en aluminium sur eux. les bandes d'aluminium ont une structure de combinaison, appelée transducteurs interdigitaux (idt), qui peuvent convertir les signaux électriques en vibrations mécaniques, également appelées ondes acoustiques. ces ondes se propagent latéralement le long de la surface du substrat piézoélectrique et entrent en collision avec d'autres idt placés à des distances stratégiques des deux côtés et rebondissent. selon la structure physique de cette configuration, les filtres saw ont des fréquences de résonance spécifiques.

résonateur de l'onde acoustique de surface (scie)

 

alors que les fréquences de travail et les bandeurs de bande des normes sans fil suivantes continuent de croître, il devient de plus en plus difficile de fabriquer des filtres saw avec des tailles de caractéristiques en aluminium étroites sur des substrats piézoélectriques et d'atteindre une bande passante de filtre dépassant 100 mhz. un autre problème est que les performances du filtre changent avec les variations de température, qui peuvent être causées par des facteurs environnementaux externes ou une dissipation de chaleur interne dans le filtre. pour surmonter ces problèmes, des améliorations de la technologie des filtres saw sont nécessaires. ces améliorations ont adopté diverses techniques, que nous verrons dans le texte suivant.

 

ii compensation de température (tc) filtre de scie

le coefficient de température négatif du substrat piézoélectrique est d'environ -20 ppm / c à -40 ppm / c, ce qui signifie que à mesure que la température augmente, la réponse en fréquence passe à une fréquence plus faible. les filtres tc-saw surmontent le problème de dérive de température en utilisant l'une des deux techniques suivantes:

1. une fine couche de dioxyde de silicium (sio2) est déposée en haut de la structure idt. le coefficient de température positif de sio2 compense la réponse négative du substrat piézoélectrique, atteignant efficacement un décalage de fréquence près de 0 ppm / c. cependant, cela entraînera une perte de filtre supplémentaire et des modes de résonance parasites.

2. bond le substrat piézoélectrique avec un autre substrat avec un coefficient d'expansion thermique inférieur (comme le saphir ou le dioxyde de silicium). mais cette méthode a moins de stabilité de la température que la précédente.

la stabilité de la température est une caractéristique nécessaire de la norme 4g lte. la bande 40 (2,3 - 2,4 ghz) coïncide presque avec la limite inférieure du wifi (2,401 - 2,483 ghz), et ce fait impose des exigences strictes à la précision du filtre. cependant, à mesure que la fréquence standard sans fil devient de plus en plus élevée, la largeur des électrodes en aluminium dans l'idt devient plus petite, et les filtres à scie rencontrent rapidement des problèmes d'augmentation de la perte et de l'électromigration à une puissance de transmission élevée. bien que les chercheurs aient essayé divers alliages de métaux pour atténuer ce problème, il est temps d'adopter actuellement de nouvelles technologies.

 

iii. filtres d'onde acoustique en vrac (baw)

les filtres baw abordent les problèmes d'étendue à des fréquences plus élevées et la gestion des exigences de puissance plus élevées. il existe deux méthodes pour créer des filtres à ondes acoustiques qui utilisent le phénomène résonnant des matériaux piézoélectriques en vrac:

1. résonateur acoustique en vrac à film mince (fbar)

2. résonateur de montage de surface (smr)

 

iv. résonateur d'onde acoustique à couches minces (fbar)

le principe de travail de fbar est simple et facile à comprendre. il se compose de matériaux piézoélectriques pris en sandwich entre les électrodes supérieure et inférieure. lorsqu'une tension alternée est appliquée aux électrodes, en raison de l'effet piézoélectrique inversé, une déformation mécanique est générée dans le substrat. il en résulte que des ondes acoustiques se reflètent entre les deux électrodes, formant ainsi un résonateur. ensuite, un filtre baw est fabriqué en couplant les résonateurs ensemble.

le "film mince" dans fbar fait référence aux électrodes et substrats piézoélectriques mis en œuvre sous une forme suspendue sur un substrat de support. le substrat de support est gravé sélectivement sous le matériau piézoélectrique pour permettre des vibrations (et une résonance) libres du substrat. l'interface d'impédance acoustique élevée entre l'électrode inférieure et l'air permet aux ondes acoustiques de se refléter vers le matériau piézoélectrique, formant le résonateur.

résonateur acoustique en vrac à base de film (fbar)

 

sur la base de ce principe de travail et en utilisant du nitrure d'aluminium (aln) comme matériau piézoélectrique, un facteur q supérieur à 2000 peut être réalisé dans la gamme 2 à 8 ghz, ce qui en fait un choix idéal pour les applications 4g lte / 5g. le fbar peut s'adapter aux changements de température et est compatible avec les processus de fonderie cmos. cela rend la commercialisation de la technologie fbar attraiv avec de nombreuses grandes entreprises telles que broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) et taiyo yuden, rejoignent ce domaine.

la méthode pour augmenter la fréquence de fonctionnement des filtres fbar est d'éminents le substrat aln. par exemple, en le réduisant à 120 nm, fbar peut fonctionner à 24 ghz. une autre méthode pour obtenir un fonctionnement à haute fréquence consiste à utiliser des modes de résonance d'ordre supérieur et des résonateurs baw (obar) surmoduleux.

l'inconvénient des filtres baw est difficile à fabriquer des filtres avec de grandes bandes passantes. la bande passante dépend en grande partie des caractéristiques du matériau piézoélectrique. pour augmenter la bande passante, les chercheurs ont réussi à doper le scandium en aln, augmentant ainsi la bande passante de plus de deux fois. des matériaux piézoélectriques puissants tels que le niobate de lithium (linbo3 ou ln) ont également montré de bons résultats.

 

v. résonateur fixe (smr)

l'essence de fbar réside en présence d'une forte impédance entre l'électrode et l'interface d'air, permettant aux ondes sonores de revenir au résonateur. le même effet peut être obtenu en plaçant un réflecteur dite acoustique bragg sous le matériau piézoélectrique avec des électrodes supérieures et inférieures.

le réflecteur acoustique bragg se compose d'une série de couches d'impédance élevées et faibles (telles que le tungstène et le dioxyde de silicium), de sorte que chaque partie d'interface du signal est réfléchie. plus il y a de couches dans le réflecteur bragg, plus l'impédance présentée est élevée par le réflecteur en raison de réflexions multiples. en plaçant le réflecteur bragg sous l'électrode inférieure du résonateur baw, le signal est réfléchi dans le matériau piézoélectrique, provoquant ainsi une résonance.

résonateurs en mode fixe (smr)

le filtre smr baw a des performances exceptionnelles. par exemple, qorvo a signalé un filtre smr qui peut gérer 5 w de puissance rf avec un pic de 40 w. récemment, ils ont également signalé un nouveau type de filtre smr baw, qui utilise le dopage du scandium et soutient le fonctionnement de la gamme 1-8 ghz, couvrant les bandes de fréquences 5g et wi-fi 6e.

 

vi. résonateurs de mode de profil (cmr) et xmr

pour les filtres fbar et smr baw, une seule résonance peut être obtenue en fonction de leur structure physique, ce qui signifie que différentes puces de filtre sont nécessaires pour chaque bande de fréquences de travail. avec l'augmentation rapide des bandes de fréquences cellulaires, il est nécessaire d'implémenter plusieurs bandes de fréquence de travail sur une seule puce baw. la technologie baw resonator mode resonator (cmr) est développée pour le fonctionnement multi-bandes.

la structure physique du résonateur baw cmr est un mélange de la structure idt utilisée dans les filtres à scie et l'électrode inférieure utilisée dans les filtres baw. en conséquence, plusieurs modes de résonance peuvent être excités à la fois dans les directions latérales (le long de la surface, telles que saw) et longitudinales (comme baw), réalisant des modes de résonance simultanés à différentes fréquences. cela permet la conception de résonateurs baw multi-bandes qui peuvent gérer plusieurs bandes de fréquence simultanément.

dans fbar, smr et cmr, la réalisation d'une large bande passante filtrante a toujours été un problème en raison du coefficient de couplage limité. pour augmenter le degré de couplage et ainsi augmenter la bande passante du filtre, les chercheurs ont découvert des méthodes pour combiner plusieurs modes de fonctionnement. au lieu de concevoir purement la forme métallique du résonateur d'un point de vue de l'aperçu, les chercheurs conçoivent le résonateur en examinant sa coupe transversale et les modes connexes. grâce à la conception complexe des électrodes de filtre baw, un nouveau type de filtre baw appelé xmr a été développé pour une large bande passante. ces filtres sont très nouveaux, toujours sous la recherche et le développement.

 

vii. filtres à éléments intégrés

alors que nous entrons dans l'ère 5g new radio (nr), la bande passante des bandes de fréquence n77-n79 est dix fois plus grande que celle des générations précédentes. en raison du couplage relativement faible à travers des matériaux piézoélectriques, les technologies saw et baw ont toujours eu le problème de la bande passante excessive. pour résoudre ce problème, les smartphones 5g d'aujourd'hui utilisent généralement des filtres lc à éléments intégrés. les inductances (l) et les condensateurs (c) sont implémentés sur des substrats multicouches, tels que la céramique co-feu à basse température (ltcc) ou les dispositifs passifs intégrés (ipd). les valeurs q de ces dispositifs passives sur le substrat ne sont pas élevées. par conséquent, ces filtres n'ont pas une bonne sélectivité. cela peut encore être toléré pour deux raisons:

1. l'occupation des bandes de fréquences 5g n'est toujours pas aussi dense que celle des générations précédentes, de sorte que la sélectivité plus faible du filtre peut être acceptable.

2. la large bande passante de filtre requise par la 5g peut être réalisée. étant donné que saw / baw ne fonctionne pas bien dans ce cas d'utilisation, il n'y a pas d'autre option.

le principal inconvénient de fabriquer des filtres de ltcc est que la mise en œuvre d'éléments passifs à l'aide d'une méthode multicouche entraîne une épaisseur globale trop grande et ne convient pas aux smartphones modernes minces. de plus, la faible tolérance dans le processus de fabrication ne peut pas provoquer de bons taux de rendement.

l'ipd est une technologie plus avancée, en particulier lorsqu'elle est mise en œuvre sur des substrats en verre. la tolérance de fabrication est plus stricte, l'épaisseur est plus petite et les condensateurs de métal métal-isolant (mim) à haute densité peuvent être obtenus, permettant ainsi des filtres plus compacts et plus strictement contrôlés. si gaas ipd est utilisé, il est possible d'intégrer le filtre avec le circuit actif. cependant, avec la montée des technologies cellulaires wifi 7 et 6g, la valeur q limitée et la mauvaise sélectivité deviendront des problèmes à l'avenir. des filtres plus complexes seront nécessaires à l'avenir.

 

viii. perspectives pour l'avenir

il existe encore de nombreuses méthodes innovantes à étudier et à explorer dans l'avenir de rf filter technology. nous sommes encore loin d'atteindre tous les objectifs. néanmoins, voici quelques progrès passionnants. saw ultra-élevé (ihp) saw: murata a démontré un filtre de scie avec une valeur q dépassant 4000 (plus de 4 fois plus élevé que la scie ordinaire) et la fréquence de fonctionnement de plus de 5 ghz. diverses combinaisons de substrats de support et de matériaux piézoélectriques sont actuellement à l'étude pour franchir les limites de performance.

xbar: resonant inc. a été acquis par murata en 2022, qui possède la technologie xbar propriétaire (une combinaison unique de technologies saw et fbar baw) et devrait fournir des filtres acoustiques pour les applications nr 5g (y compris la bande de fréquence n79).

xbaw: akoustis est une autre entreprise qui promet de fournir des filtres acoustiques à large bande haute performance pour les technologies wifi 5g et modernes. ils développent leur technologie propriétaire en utilisant des films aln monocristalliers avec de meilleures propriétés piézoélectriques que les films aln polycristallins.

hybride: les futurs filtres rf peuvent adopter une combinaison de filtres acoustiques soigneusement conçus et de filtres lc pour obtenir un effet gagnant-gagnant. les recherches publiées indiquent que la bande passante est de 900 mhz (3,3 - 4,2 ghz), et à 4,4 ghz (bande n79), il fournit 36 ​​db de suppression, avec seulement une différence de 200 mhz, qui a définitivement une perspective brillante.