una revisión de la tecnología de filtro de radiofrecuencia

la clave para la selección de señales es usar un filtro de radiofrecuencia, cuya función es permitir que las señales de la frecuencia deseada pasen mientras bloquean el resto. el principio de trabajo del filtro es generar resonancia a una frecuencia específica. se puede comparar con un swing en el patio de recreo. para que el swing suba, debe sincronizar el tiempo de empuje con la frecuencia del columpio del péndulo y resuena con la frecuencia del columpio. del mismo modo, un circuito resonante de diseño correctamente permitirá que pasen las señales de la frecuencia correcta mientras suprime otras frecuencias. una medida cuantitativa del semáforo que puede pasar, en lugar de suprimir las frecuencias no deseadas, se llama factor de calidad del filtro (o q). esperamos que el factor q sea lo más alto posible. de hecho, un filtro no es suficiente para permitir que pase una frecuencia única. las señales pasarán a través de un cierto rango de frecuencia, que se denomina ancho de banda del filtro. los requisitos de ancho de banda se reducirán o ampliarán de acuerdo con el estándar inalámbrico atendido por el filtro. significativamente, también debe tenerse en cuenta que el tamaño del filtro es proporcional a la longitud de onda de la señal en resonancia en la tecnología celular. el filtro más utilizado en la tecnología celular es el filtro acústico, principalmente porque son de tamaño pequeño y tienen un factor q alto. el filtro acústico se basa en un sustrato especial llamado sustrato piezoeléctrico (generalmente tantalato de litio, litao3), que convierte el estrés mecánico en energía eléctrica y viceversa. son muy compactos debido al fenómeno de resonancia acústica en las frecuencias de gigahertz, de las cuales la longitud de onda está dentro del rango de micrómetro, mientras que la longitud de onda del filtro basada en la resonancia electromagnética está dentro del rango de centímetro. dado esto, la industria del filtro acústico de rf ha experimentado un gran auge en la última década con el aumento de las comunicaciones móviles, y el tamaño es su principal factor impulsor en este artículo, en el que estudiaremos varias tecnologías de filtros de rf, incluidos los nuevos desarrollos en la comunicación inalámbrica futura:

la onda acústica superficial tiene la compensación de temperatura; onda acústica a granel (fbar, smr, cmr, xmr); filtro lc (ltcc, ipd); nuevos filtros para el futuro inalámbrico.

 

i. filtros de onda acústica de superficie (saw)

inicialmente, las frecuencias operativas máximas de los teléfonos móviles 1g, 2g y 3g fueron de aproximadamente 2 ghz. la banda 2g gsm era de 900 mhz, la banda pcs era de 1900 mhz, y la banda de 3g phone 1 era de 2100 mhz, mientras que la banda 5 era de 850 mhz. los filtros de sierra pueden lograr un factor de calidad de alrededor de 800 a estas frecuencias, lo cual es suficiente para las comunicaciones móviles. los filtros saw se implementan en sustratos piezoeléctricos, que tienen tiras de aluminio en ellos. las tiras de aluminio tienen una estructura en forma de peine, llamada transductores interdigitales (idt), que pueden convertir señales eléctricas en vibraciones mecánicas, también conocidas como ondas acústicas. estas ondas se propagan lateralmente a lo largo de la superficie del sustrato piezoeléctrico y chocan con otros idt colocados a distancias estratégicas en ambos lados y rebote hacia atrás. según la estructura física de esta configuración, los filtros saw tienen frecuencias resonantes específicas.

resonador de onda acústica de superficie (sierra)

 

a medida que las frecuencias de trabajo y los anchos de banda de los estándares inalámbricos posteriores siguen creciendo, se vuelve cada vez más difícil fabricar filtros de sierra con tamaños de características de aluminio estrechos en sustratos piezoeléctricos y lograr un ancho de banda de filtro superior a 100 mhz. otro problema es que el rendimiento del filtro cambiará con las variaciones de temperatura, que puede ser causada por factores ambientales externos o disipación de calor interno dentro del filtro. para superar estos problemas, son necesarias mejoras en la tecnología de filtro de sierra. estas mejoras han adoptado varias técnicas, que veremos en el siguiente texto.

 

ii. filtro de sierra de compensación de temperatura (tc)

el coeficiente de temperatura negativa del sustrato piezoeléctrico es de aproximadamente -20 ppm/c a -40 ppm/c, lo que significa que a medida que aumenta la temperatura, la respuesta de frecuencia cambia a una frecuencia más baja. los filtros tc-saw superan el problema de deriva de temperatura mediante el uso de una de las dos siguientes técnicas:

1. se deposita una capa delgada de dióxido de silicio (sio2) en la parte superior de la estructura idt. el coeficiente de temperatura positivo de sio2 compensa la respuesta negativa del sustrato piezoeléctrico, logrando efectivamente un desplazamiento de frecuencia cerca de 0 ppm/c. sin embargo, esto conducirá a una pérdida de filtro adicional y modos resonantes espurios.

2. contee el sustrato piezoeléctrico con otro sustrato con un coeficiente más bajo de expansión térmica (como zaxido de zafiro o silicio). pero este método tiene menos estabilidad de temperatura que la anterior.

la estabilidad de la temperatura es una característica necesaria del estándar 4g lte. la banda 40 (2.3 - 2.4 ghz) casi coincide con el límite inferior de wifi (2.401 - 2.483 ghz), y este hecho impone requisitos estrictos en la precisión del filtro. sin embargo, a medida que la frecuencia estándar inalámbrica se vuelve cada vez más alta, el ancho de los electrodos de aluminio en el idt se vuelve más pequeño, y los filtros saw pronto encuentran problemas de mayor pérdida y electromigración a alta potencia de transmisión. aunque los investigadores han probado varias aleaciones de metales para aliviar este problema, es el momento de adoptar nuevas tecnologías actualmente.

 

iii. filtros de onda acústica a granel (baw)

los filtros baw abordan los problemas de extender a frecuencias más altas y manejando los requisitos de mayor potencia. hay dos métodos para crear filtros de onda acústica que utilizan el fenómeno resonante de los materiales piezoeléctricos a granel:

1. resonador acústico a granel de película delgada (fbar)

2. resonador de montaje de superficie (smr)

 

iv. resonador de onda acústica de película delgada (fbar)

el principio de funcionamiento de fbar es sencillo y fácil de entender. consiste en materiales piezoeléctricos intercalados entre los electrodos superior e inferior. cuando se aplica un voltaje alterno a los electrodos, debido al efecto piezoeléctrico inverso, la tensión mecánica se genera en el sustrato. esto da como resultado ondas acústicas que se reflejan de un lado a otro entre los dos electrodos, formando así un resonador. luego, se fabrica un filtro baw acoplando a los resonadores.

la "película delgada" en fbar se refiere a los electrodos y el sustrato piezoeléctrico implementado en forma suspendida en un sustrato de soporte. el sustrato de soporte está grabado selectivamente debajo del material piezoeléctrico para permitir la vibración libre (y la resonancia) del sustrato. la alta interfaz de impedancia acústica entre el electrodo inferior y el aire permite que las ondas acústicas se reflejen en el material piezoeléctrico, formando el resonador.

resonador acústico a granel basado en la película (fbar)

 

basado en este principio de trabajo y en el uso de nitruro de aluminio (aln) como material piezoeléctrico, se puede lograr un factor q mayor que 2000 dentro del rango de 2-8 ghz, lo que lo convierte en una opción ideal para aplicaciones 4g lte/5g. fbar puede adaptarse a los cambios de temperatura y es compatible con los procesos de fundición cmos. esto hace que la comercialización de la tecnología fbar atrae a muchas empresas grandes como broadcom, qorvo, stmicroelectronics, samsung, tdk (qualcomm) y taiyo yuden, se unan a este campo.

el método para aumentar la frecuencia de funcionamiento de los filtros fbar es adelgazar el sustrato de aln. por ejemplo, al reducirlo a 120 nm, fbar puede funcionar a 24 ghz. otro método para lograr una operación de alta frecuencia es utilizar modos resonantes de orden superior y resonadores de baw (obar) sobre modulado.

la desventaja de los filtros baw es difícil de fabricar filtros con grandes anchos de banda. el ancho de banda depende en gran medida de las características del material piezoeléctrico. para aumentar el ancho de banda, los investigadores han dopado con éxito el escandio en aln, aumentando así el ancho de banda en más de dos veces. los materiales piezoeléctricos fuertes como el niobato de litio (linbo3 o ln) también han mostrado buenos resultados.

 

v. resonador fijo (smr)

la esencia de fbar se encuentra en presencia de una alta impedancia entre el electrodo y la interfaz de aire, lo que permite que las ondas de sonido se reflejen en el resonador. el mismo efecto se puede lograr colocando un llamado reflector de bragg acústico debajo del material piezoeléctrico con electrodos superior e inferior.

el reflector de bragg acústico consiste en una serie de capas alternas de alta y baja impedancia (como tungsteno y dióxido de silicio), por lo que cada parte de la interfaz de la señal se refleja hacia atrás. cuantas más capas en el reflector bragg, mayor es la impedancia presentada por el reflector debido a múltiples reflexiones. al colocar el reflector bragg debajo del electrodo inferior del resonador baw, la señal se refleja nuevamente en el material piezoeléctrico, lo que causa resonancia.

resonadores de modo fijo (smr)

el filtro smr baw tiene un rendimiento sobresaliente. por ejemplo, qorvo informó un filtro smr que puede manejar 5w de potencia de rf con un pico de 40w. recientemente, también informaron un nuevo tipo de filtro smr baw, que utiliza el dopaje de escandio y admite la operación en el rango de 1-8 ghz, que cubre las bandas de frecuencia 5g y wi-fi 6e.

 

vi. resonadores de modo de perfil (cmr) y xmr

para los filtros baw fbar y smr, solo se puede lograr una resonancia en función de su estructura física, lo que significa que se requieren diferentes chips de filtro para cada banda de frecuencia de trabajo. con el rápido aumento de las bandas de frecuencia celular, es necesario implementar múltiples bandas de frecuencia de trabajo en un solo chip baw. la tecnología baw de resonador de modo de perfil (cmr) se desarrolla para la operación de múltiples bandas.

la estructura física del resonador baw cmr es una mezcla de la estructura idt utilizada en filtros de sierra y el electrodo inferior utilizado en filtros baw. como resultado, se pueden excitar múltiples modos resonantes tanto en las direcciones laterales (a lo largo de la superficie, como saw) como longitudinal (como baw), realizando modos resonantes simultáneos a diferentes frecuencias. esto permite el diseño de resonadores baw de banda múltiple que pueden manejar múltiples bandas de frecuencia simultáneamente.

en fbar, smr y cmr, lograr un ancho de banda de filtro ancho siempre ha sido un problema debido al coeficiente de acoplamiento limitado. para aumentar el grado de acoplamiento y, por lo tanto, aumentar el ancho de banda del filtro, los investigadores han descubierto métodos para combinar múltiples modos de operación. en lugar de diseñar puramente la forma de metal del resonador desde una perspectiva general, los investigadores diseñan el resonador al observar su sección transversal y modos relacionados. a través de un diseño complejo de los electrodos de filtro baw, se ha desarrollado un nuevo tipo de filtro baw llamado xmr para ancho de banda ancho. dichos filtros son muy nuevos, todavía bajo investigación y desarrollo.

 

vii. filtros de elementos integrados

al ingresar a la era 5g new radio (nr), el ancho de banda de las bandas de frecuencia n77-n79 es diez veces mayor que la de las generaciones anteriores. debido al acoplamiento relativamente bajo a través de materiales piezoeléctricos, las tecnologías saw y baw siempre han tenido el problema del ancho de banda excesivo. para resolver este problema, los teléfonos inteligentes 5g de hoy generalmente usan filtros lc de elementos integrados. los inductores (l) y los condensadores (c) se implementan en sustratos de múltiples capas, como la cerámica cofirente de baja temperatura (ltcc) o los dispositivos pasivos integrados (ipd). los valores q de tales dispositivos pasivos en el sustrato no son altos. por lo tanto, estos filtros no tienen buena selectividad. esto todavía se puede tolerar por dos razones:

1. la ocupación de las bandas de frecuencia 5g todavía no es tan densa como la de las generaciones anteriores, por lo que la menor selectividad del filtro puede ser aceptable.

2. se puede lograr el ancho de banda del filtro ancho requerido por 5g. dado que saw/baw no funciona bien en este caso de uso, no hay otra opción.

la principal desventaja de hacer filtros de ltcc es que la implementación de elementos pasivos utilizando un método de múltiples capas da como resultado un grosor general que es demasiado grande y no es adecuado para teléfonos inteligentes modernos delgados. además, la baja tolerancia en el proceso de fabricación no puede lograr buenas tasas de rendimiento.

ipd es una tecnología más avanzada, especialmente cuando se implementa en sustratos de vidrio. la tolerancia a la fabricación es más estricta, el grosor es más pequeño y se pueden lograr condensadores de metal-aislador de alta densidad (mim) (mim), lo que permite filtros más compactos y más estrictamente controlados. si se usa gaas ipd, es posible integrar el filtro con el circuito activo. sin embargo, con el aumento de las tecnologías celulares wifi 7 y 6g, el valor de q limitado y la mala selectividad se convertirán en problemas en el futuro. se necesitarán filtros más complejos en el futuro.

 

viii. perspectiva para el futuro

todavía hay muchos métodos innovadores para estudiar y explorar en el futuro de rf filter technology. todavía estamos lejos de lograr todos los objetivos. sin embargo, aquí hay algunos avances emocionantes. sierra de rendimiento ultra alto (ihp): murata demostró un filtro de sierra con un valor q superior a 4000 (más de 4 veces más alto que la sierra ordinaria) y la frecuencia de operación de más de 5 ghz. actualmente se están estudiando varias combinaciones de sustratos de apoyo y materiales piezoeléctricos para romper los límites de rendimiento.

xbar: resonant inc. fue adquirido por murata en 2022, quien tiene tecnología xbar patentada (una combinación única de tecnologías saw y fbar baw) y se espera que proporcione filtros acústicos para aplicaciones 5g nr (incluida la banda de frecuencia n79).

xbaw: akoustis es otra compañía que promete proporcionar filtros acústicos de banda ancha de alto rendimiento para tecnologías wifi 5g y modernas. desarrollan su tecnología patentada utilizando películas de aln de cristal único con mejores propiedades piezoeléctricas que las películas de aln policristalina.

híbrido: los filtros de rf futuros pueden adoptar una combinación de filtros acústicos cuidadosamente diseñados y filtros lc para lograr un efecto de ganar-ganar. la investigación publicada indica que el ancho de banda es de 900 mhz (3.3 - 4.2 ghz), y a 4.4 ghz (banda n79), proporciona 36 db de supresión, con solo una diferencia de 200 mhz, que definitivamente tiene una perspectiva brillante.