5g 및 Beyond Wireless Technologies의 Active Filter의 미래

무선 통신의 Active Filters의 수입

4G LTE에서 5G까지 무선 네트워크의 급속한 확장은, 저쪽으로, 라디오 주파수 (RF) 정면 끝 성분에 전례한 수요를 두었습니다. 이 중 여과기는 신호 무결성 유지를 위해 긴요합니다, 간섭을 관리하고, 능률적인 스펙트럼 사용을 가능하게 합니다. 가동 증폭기 또는 트랜지스터와 같은 증폭 성분을 통합하는 활동적인 여과기는, tunability, 크기 및 이익을 제공하기 위하여 수동 여과기에 명백한 이점을 제안합니다. 5G 네트워크의 성숙한 신호로, 6G 네트워크의 간단한 측정을 가속하기 위하여, 6G 네트워크의 간단한 측정을 가속하는 것은, 6G 네트워크의 주파수에서, 6G 네트워크의 커뮤니케이션을 가속합니다.

활성 필터의 기초: 뇌관

이 필터는 활성 구성 요소-일반적인 op-amps 또는 트랜지스터-항저와 커패시터를 사용하여 신호의 주파수 응답을 형성하는 전자 회로입니다. 수동 필터와는 달리 (인덕터, 커패시터 및 저항기에 의존), 활성 필터는 전압 이득을 제공 할 수 있습니다, 높은 입력 임피던스를 표시, 낮은 출력 임피던스를 제공합니다. 이러한 특성은 부하 효과 최소화해야 복잡한 시스템에 통합에 적합하도록 잘 적응시킵니다.

일반적인 활성 필터 토폴라에는 Sallen-Key] 아키텍처, 다중 공급 (MFB) 디자인 및 상태 가변 (비쿼드) 필터가 포함되어 있습니다. 각 토폴라에는 구성 요소 감도, Q-factor 유연성 및 조정의 용이성 측면에서 거래 오프를 제공합니다. 5G 및 그 이상의 컨텍스트에서 디자이너는 종종 높은 선택성 (스티프 롤 오프), 넓은 조정 범위 및 높은 전력 조건 하에서 필터를 우선 순위화합니다.

5G 네트워크의 Active Filters의 중요한 기능

5G는 3개의 주요 주파수 대역의 맞은편에 작동합니다: sub-6 GHz (FR1), 밀리미터 파 (FR2, 24-52 GHz), 그리고 신흥 FR3 밴드 (7–24 GHz). 활동적인 여과기는 몇몇 근본적인 역할을 봉사합니다:

방해 억제 및 신호 Integrity

Dense 도시 배치에서는, 기지국 및 사용자 장비는 인접한 수로, Wi-Fi, 또는 유산 세포 신호에서 밖으로 밴드 차단제를 거부해야 합니다. 높은 Q 요인을 가진 활동적인 여과기는 낮은 삽입 손실을 유지하고, 수동 필터가 높은 빈도에 달성하는 것을 투쟁하는 조합을 유지하면서 예리한 거절을 제공할 수 있습니다.

소음 관리

Active Filter는 연속 처리 단계 전에 원하는 신호를 증폭하여 신호 투 노이즈 비율 (SNR)을 개선하도록 설계되었습니다. 그러나 활성 요소는 열과 깜박임 소음을 소개합니다. 저노이즈 op-amps 및 최적화 된 피드백 네트워크를 포함한 충분한 설계는 균형이 잡힌 노이즈 수치에 필요합니다.

멀티 밴드 및 캐리어 Aggregation 지원

5G 네트워크는 종종 데이터 처리량을 증가시키기 위해 여러 주파수 대역을 결합 캐리어 집계를 사용합니다. 비행에 중심 주파수 사이 전환 할 수있는 활성화 활성 필터는 각 밴드 전용 필터 은행을 필요로하지 않고이 유연성을 가능하게하는 데 필수적입니다.

Active Filter Design의 Emerging Technologies에 대한 기술

Reconfigurable 및 조정 가능한 필터

조정성은 중요한 동향입니다. Varactor 다이오드, 전환된 축전기 배열 및 MEMS 변하기 쉬운 축전기는 센터 빈도 및 대역폭 조정을 허용합니다. 이 성분은 수로 조건, 간섭 본, 또는 스펙트럼 할당을 바꾸기 위하여 여과기를 가능하게 합니다. 예를 들면, 5G 작은 세포는 가까운 밴드에서 운영되는 군 레이더와 interfering를 피하기 위하여 tunable 활동적인 여과기를 이용할지도 모릅니다.

mmWave에 대한 통합 활성 필터

, 39 GHz의 변속기-파 주파수 (28, 39 GHz) 낮은 구성 요소 Q 및 높은 기생성 효과 때문에 전통적인 필터 설계에 대한 퓨즈 도전. 부정적인 저항 보상과 전송 라인 공명기를 사용하여 활성 필터 기술, 높은 선택성을 달성 할 수 있습니다. CMOS 또는 SiGe BiCMOS 프로세스의 통합 활성 필터는 단계적으로 아르 이형 안테나 및 빔 형성 시스템, 크기 및 전력 소비가 중요하다.

기계 학습 구동 적응

인공 지능은 점점 실시간 필터 최적화에 적용된다. 신경 네트워크는 측면의 점적 인 점적을 모니터링하고 필터 계수 또는 스위치 토폴더를 조정하여 비트 오류율을 최소화 할 수 있습니다. 이 접근법은 특히인지 라디오 및 소프트웨어 정의 라디오 (SDR)를 위해 유망하고 필터링 층의 민첩성은 디지털베이스의 유연성을 일치해야합니다.

Active vs. 수동 필터: 각 사용 시

활성 필터 제공 tunability 및 이득, 그들은 또한 전력 소비 및 잠재적 비선형을 소개. 고출력에서 경로, 수동 필터는 찡그림 없이 고전압과 현재를 처리하는 능력 때문에 솜씨를 남아. 활성 필터는 수신기 체인, 중급 주파수 (IF) 단계에서 더 일반적으로 발견, 및 기본 밴드 처리. 활성과 수동 사이의 선택은 주파수, 전력 수준, 선형성 요구 및 시스템 통합 제약에 따라 달라집니다.

Next-Generation 시스템의 Active Filter를 직면하는 도전

열 소음 및 선형성 무역 떨어져

Active Components는 수신기 감도를 저하시킬 수 있는 소음을 생성합니다. 동시에, 높은 선형성 (낮은 상호modulation distortion)를 낮은 소음 및 저출력 소비로 수시로 충돌 달성하는 것은. 디자이너는 소음 제거와 다 급식 뒤 토폴란드 같이 기술을 사용하여 이 무역 떨어져 주의깊게 관리해야 합니다.

전력 소비

모든 활성 필터는 DC 전원을 소비합니다. 스마트 폰, 전력 예산과 같은 배터리 작동 장치가 단단합니다. 저전력 설계 기술 - subthreshold 운영, 동적 바이싱 및 의무 사이클링 - 희생 성능없이 에너지 풋프린트를 줄이기 위해 조사됩니다.

통합 Complexity

단일 칩에 다른 RF 구획 (LNA, 믹서, VCO)를 가진 활동적인 여과기 통합은 기생 연결을 막기 위하여 주의깊은 고립 및 배치를 요구합니다. 여과기 단계와 디지털 방식으로 회로 사이 Crosstalk는 불안정성을 일으킬 수 있습니다. 진보된 포장 및 monolithic 전자파 통합 회로 (MMIC) 디자인 방법론은 근본적입니다.

6G까지의 경로: Terahertz Frequencies의 Active Filters

5G, 6G는 1 ms의 밑에 두 번째, 대기 시간 당 테라 비트에 있는 자료 비율을 감독하고, sub-THz와 THz 밴드 (100 GHz에 3 THz)의 사용. 이 주파수에서, 전통적인 필터 디자인은 극단적으로 작은 파장 및 높은 손실 때문에 반복적 인 됩니다. 활동적인 여과기는 부정적인 저항, 분배된 증폭 및 quantum 효력 장치를 레버리지 접근합니다 (예를들면, reanting 갱도는 THz를 탐구하고 있습니다).

또한, 6G의 지능형 표면, 홀로그래픽 라디오에 대한 신뢰성, 그리고 대규모 MIMO는 요소 수준에 재구성 할 수있는 필터가 필요합니다. 활성 필터링은 공간과 주파수 필터링을 동시에 수행하기 위해 안테나 어레이로 직접 내장 될 수 있습니다.

Material Innovations Driving Active Filter 성능 향상

새로운 반도체 재료는 활성 필터의 설계 공간을 확장합니다.

Gallium Nitride (GaN)는 선형성 및 견고성가 중요한 송신기 프런트 엔드의 활성 필터를 가능하게 하는 높은 고장 전압 및 전원 핸들링을 제공합니다.
Silicon-on-Insulator (SOI) 및 SiGe는 향상된 소음 성능과 높은 차단 주파수를 제공하여 밀리미터 웨이브 수신기에서 낮은 소음 활성 필터에 이상적입니다.
2D 자료] 그래 핀과 전환 금속 dichalcogenides 같은 2D 자료는 비례없는 주파수 민첩성을 가진 초저전력 활성 필터로 이어질 수 있습니다.

Real-World 응용 프로그램 및 사례 연구

Active Filter는 이미 5G 인프라에 배포됩니다. 예를 들어 일부 매크로 기지국은 FDD 및 TDD 밴드를 통해 캐리어 집계를 처리하는 활성 대역폭 필터를 사용합니다. 다량 MIMO 시스템에서 통합 단계 교대를 가진 활성 필터는 프런트 엔드에서 빔 형성을 가능하게하며 디지털 백홀의 복잡성을 감소시킵니다.

자동차 5G (C-V2X)는 다른 차량 또는 도로 단위에서 신호를 움직이지 않게 하는 활동적인 여과기에서 이득을 낮잠을 유지하고 있는 동안. 마찬가지로, 위성 통신 맨끝을 위한 비 운동 네트워크 (NTN) 사용은 다수 별자리에서 도풀러 교대를 취급하기 위하여 활동적인 여과기를 이용합니다.

미래 연구 방향

N-Path Filters with Active Bootstrapping: N-path Filter의 작동 주파수를 확장(수동 LC 탱크를 더 높은 주파수로 혼합) 활성 스위치를 사용하여 단계와 mmWave Bands를 커버하는 것을 얻을 수 있습니다.
Neuromorphic Active Filter: 명시적인 알고리즘 업데이트 없이 학습하고 적응하는 필터를 생성하는 미믹킹 생물학 신경 네트워크.
Quantum-Enhanced Active Filters: Josephson junction 또는 기타 quantum Device를 사용하여 quantum Communication 반복기를 위한 cryogenic 온도에서 주변 소음 성능을 달성합니다.