L'avenir des filtres actifs en 5g et au-delà des technologies sans fil

L'importance croissante des filtres actifs dans les communications sans fil

L'expansion rapide des réseaux sans fil, de 4G LTE à 5G et au-delà, a imposé des exigences sans précédent sur les composants frontaux de fréquence radio (RF). Parmi ceux-ci, les filtres sont essentiels pour maintenir l'intégrité des signaux, gérer les interférences et permettre une utilisation efficace du spectre. Les filtres actifs, qui intègrent des éléments amplificateurs tels que les amplificateurs opérationnels ou les transistors, offrent des avantages distincts par rapport aux filtres passifs en termes de thonabilité, de taille et de capacité à fournir des gains.

Les fondamentaux des filtres actifs : un amorceur

Un filtre actif est un circuit électronique qui utilise des composants actifs, généralement des amplificateurs op ou des transistors, ainsi que des résistances et des condensateurs pour façonner la réponse en fréquence d'un signal. Contrairement aux filtres passifs (qui reposent uniquement sur des inducteurs, des condensateurs et des résistances), les filtres actifs peuvent fournir un gain de tension, présenter une impédance d'entrée élevée et offrir une impédance de sortie faible.

Les topologies courantes des filtres actifs comprennent l'architecture Sallen-Key, les modèles de feedback multiple (MFB) et les filtres biquad (biquad) variables d'état. Chaque topologie offre des compromis en termes de sensibilité des composants, de flexibilité des facteurs Q et de facilité d'accord. Dans le contexte de la 5G et au-delà, les concepteurs privilégient souvent les filtres avec une grande sélectivité (déroulement profond), une large gamme d'accord et une linéarité dans des conditions de puissance élevée.

Fonctions critiques des filtres actifs dans les réseaux 5G

5G opère sur trois bandes de fréquences principales : les fréquences de sub-6 GHz (FR1), les ondes millimétriques (FR2, 24-52 GHz) et les fréquences de FR3 émergentes (7-24 GHz).

Suppression des interférences et intégrité des signaux

Dans les déploiements urbains denses, les stations de base et l'équipement utilisateur doivent rejeter les bloqueurs hors bande des canaux adjacents, Wi-Fi ou signaux cellulaires hérités. Les filtres actifs à facteurs Q élevés peuvent fournir un rejet aigu tout en maintenant une faible perte d'insertion, une combinaison que les filtres passifs peinent à atteindre à des fréquences plus élevées.

Gestion du bruit

Les filtres actifs peuvent être conçus pour améliorer le rapport signal-bruit (SNR) en amplifiant le signal désiré avant les étapes de traitement suivantes. Cependant, les éléments actifs eux-mêmes introduisent le bruit thermique et le bruit de clignotement. Une conception soignée, y compris des op-amplis à faible bruit et des réseaux de rétroaction optimisés, est nécessaire pour équilibrer gain et bruit.

Soutien à l'agrégation multi-bandes et porteuses

Les réseaux 5G utilisent souvent l'agrégation de supports, combinant plusieurs bandes de fréquences pour augmenter le débit de données. Les filtres actifs reconfigurables qui peuvent basculer entre les fréquences centrales à la volée sont essentiels pour permettre cette flexibilité sans nécessiter une banque de filtres dédiée pour chaque bande.

Technologies émergentes dans la conception active des filtres

Filtres reconfigurables et tunables

Les diodes variatrices, les réseaux de condensateurs commutés et les condensateurs variables MEMS permettent de régler la fréquence centrale et la bande passante. Ces composants permettent aux filtres de s'adapter aux conditions changeantes des canaux, aux interférences ou à l'attribution du spectre. Par exemple, une petite cellule 5G peut utiliser un filtre actif thoné pour éviter d'interférer avec un radar militaire fonctionnant dans une bande voisine.

Filtres actifs intégrés pour mmWave

Les fréquences des ondes millimétriques (28, 39 GHz) posent des défis pour la conception traditionnelle des filtres en raison de la faible Q des composants et des effets parasitaires élevés. Les techniques de filtrage actif, comme l'utilisation de résonateurs de ligne de transmission avec compensation de résistance négative, peuvent atteindre une grande sélectivité sur puce.

Adaptation automatique-drived

Un réseau neuronal peut surveiller l'occupation spectrale et ajuster les coefficients de filtre ou les topologies de commutation pour minimiser le taux d'erreur bit. Cette approche est particulièrement prometteuse pour les radios cognitives et les radios logicielles (SDR), où l'agilité de la couche filtrante doit correspondre à la flexibilité de la bande de base numérique.

Filtres actifs et passifs : quand utiliser chaque filtre

Les filtres actifs offrent une capacité de contrôle et de gain, mais ils introduisent aussi une consommation d'énergie et des possibilités de non-linéarité. Dans les voies de transmission à haute puissance, les filtres passifs restent le cheval de bataille en raison de leur capacité à gérer des tensions et des courants élevés sans distorsion.

Défis face aux filtres actifs dans les systèmes de prochaine génération

Bruit thermique et échange de linéarité

Les composants actifs génèrent du bruit qui peut dégrader la sensibilité du récepteur. Parallèlement, atteindre une linéarité élevée (faible distorsion d'intermodulation) est souvent en conflit avec un faible bruit et une faible consommation d'énergie.

Consommation d'énergie

Chaque filtre actif consomme de la puissance en courant continu. Dans les appareils fonctionnant avec une batterie comme les smartphones, les budgets de puissance sont serrés. Des techniques de conception de faible puissance, comme le fonctionnement sous-seuil, le biais dynamique et le cyclage de la charge, sont étudiées pour réduire l'empreinte énergétique sans sacrifier les performances.

Complexité d'intégration

L'intégration de filtres actifs avec d'autres blocs RF (LNA, mélangeur, VCO) sur une seule puce nécessite une isolation et une mise en page soignées pour empêcher le couplage parasitaire.

Le chemin vers 6G : Filtres actifs aux fréquences de Terahertz

Au-delà de 5G, 6G envisage les taux de données dans les térabits par seconde, latence inférieure à 1 ms, et l'utilisation des bandes de sub-THz et THz (100 GHz à 3 THz). À ces fréquences, les conceptions de filtres classiques basées sur des éléments encastrés deviennent peu pratiques en raison de longueurs d'onde extrêmement petites et de pertes élevées.

De plus, 6G=s dépendance sur des surfaces intelligentes, radio holographique, et massive MIMO nécessitera des filtres qui peuvent être reconfigurés au niveau de l'élément. Filtrage actif peut être intégré directement dans des réseaux d'antennes pour effectuer le filtrage spatial et de fréquence simultanément.

Innovations matérielles qui conduisent à une performance active du filtre

De nouveaux matériaux semi-conducteurs élargissent l'espace de conception des filtres actifs:

Applications et études de cas dans le monde réel

Par exemple, certaines stations de base macro utilisent des filtres de passe-bande actifs reconfigurables pour gérer l'agrégation des transporteurs sur les bandes FDD et TDD. Dans les systèmes MIMO massifs, les filtres actifs avec des décalages de phase intégrés permettent la formation de faisceaux à l'avant, réduisant ainsi la complexité du rétrocaveau numérique.

Automobile 5G (C-V2X) bénéficie de filtres actifs qui peuvent rejeter les signaux de brouillage d'autres véhicules ou unités routières tout en maintenant une faible latence. De même, les terminaux de communication par satellite pour réseaux non terrestres (NTN) utilisent des filtres actifs adaptatifs pour gérer les déplacements Doppler et les interférences de plusieurs constellations.

Orientations futures de la recherche

  • N-Path Filters with Active Bootstrapping: Extension de la fréquence de fonctionnement des filtres N-path (qui mélangent un réservoir passif LC à une fréquence plus élevée) en utilisant des interrupteurs actifs et en gagnant des étapes pour couvrir les bandes mmWave.
  • Neuromorphique Active Filters: Mimitage des réseaux neuronaux biologiques pour créer des filtres qui apprennent et s'adaptent sans mises à jour d'algorithme explicite.
  • Filtres actifs renforcés par le Quantum : Utiliser des jonctions Josephson ou d'autres dispositifs quantiques pour obtenir des performances sonores proches de zéro à des températures cryogéniques pour les répéteurs quantiques de communication.

Conclusion

Les filtres actifs ne sont pas seulement un élément de support dans les systèmes sans fil, ils deviennent un catalyseur central de l'agilité et des performances requises par la 5G et les réseaux futurs. À mesure que les fréquences augmentent, les budgets d'énergie se resserrent et les environnements d'interférence deviennent plus complexes, la capacité de façonner dynamiquement la réponse de fréquence avec un faible bruit et une linéarité élevée sera déterminante. Les progrès continus dans les topologies de circuits, les technologies d'intégration et les algorithmes d'adaptation promettent de débloquer de nouvelles possibilités de connectivité sans fil sans soudure et de grande capacité.