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淺析4G智能時代的射頻技術(shù)

作者: 時間:2017-10-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  濾波器需求增長

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/366920.htm

  由于 LTE的出現(xiàn),使得頻段越來越多,頻段越多就會導(dǎo)致智能手機的設(shè)計復(fù)雜性越來越大;加上頻譜資源是一個非常稀缺的資源,特別是在北美和歐洲地區(qū),頻譜非常擁擠,這樣就一定會增加濾波器的復(fù)雜性。TriQuint中國區(qū)移動產(chǎn)品銷售總監(jiān)江雄在9月份IIC期間的一次主題演講中表示,“LTE的采用將會推動RF總體有效市場(TAM)大幅增長。”

  他指出,未來幾年,高性能濾波器會以年均復(fù)合增長率40%~50%的速度增長(如圖1所示)。他強調(diào),這里的高性能濾波器主要指體聲波(BAW)和溫度補償聲表面波(TC-SAW)這兩種濾波器。

  不同類型的手機中采用的濾波器類型和數(shù)量都是不一樣的,比如在功能機時代,只需要普通的SAW濾波器就足夠了;就算是3G手機時代,對BAW濾波器和 TC-SAW濾波器的需求也不大。但是到了時代,一款智能手機必須要對多個頻段的2G、3G和無線接入方式的發(fā)送和接收路徑進行濾波,同時還要對 WiFi、藍牙和GPS接收器等的接收路徑進行濾波,而高端智能手機可能需要用到濾波器的地方會更多。這些頻帶范圍都不相同,又不能相互干擾,這必然需要更多的濾波器來對這些信號進行隔離。

  而SAW濾波器由于本身的局限性,一般只適用于1.5GHz以下的應(yīng)用。另外它也易受溫 度變化的影響。高于1.5GHz時,TC-SAW和BAW濾波器則更具性能優(yōu)勢。BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小,這使得它非常適合要求非??量痰?3G和4G應(yīng)用。還有就是即便在高寬帶設(shè)計中,BAW對溫度變化也沒有那么敏感,同時它還具有極低的插入損耗和非常陡峭的濾波器邊緣。“BAW的集成化更 高、性能更好、帶寬的抑制能力更強,而且它為大于2GHz的LTE頻帶進行了優(yōu)化。”江雄在演講中提到。

  智能手機中的高級濾波器需求會持續(xù)增加,從圖2中我們可以看到移動設(shè)備中的RF器件發(fā)展主要有三個趨勢:一是功率放大器市 場是從持平到緩慢下降,江雄認為這主要是因為寬帶放大器的應(yīng)用造成的;二是CMOS開關(guān)和調(diào)諧元件會穩(wěn)步增長,調(diào)諧元件目前很多手機沒有,但以后的手機基 本都會具備;三是濾波器的增長是非常迅速的。他認為這后面的原因比較多,但最主要的是頻帶擴散、載波聚合和分集接收/WiFi。

  對于在4G時代,為什么需要采用載波聚合技術(shù),江雄是這樣解釋的,“LTE-Advanced在低移動性下峰值速率達到1Gbps,高移動性下峰值速率達到 100Mbps。那么為了支持這樣的峰值速率,我們需要更大的帶寬。而對運營商來說,頻譜資源相對來說是比較緊的,每個運營商分到的頻譜資源不多,特別是 連續(xù)的頻譜資源時非常有限的。為了解決這個問題,LTE-Advanced就提出了載波聚合的解決方案。”

  載波聚合目前有兩種實現(xiàn)方式,一是連續(xù)載波聚合,將相鄰的數(shù)個較小的載波整合為一個較大的載波;另一個是非連續(xù)載波聚合,就是將離散的多載波聚合起來,當作一個較寬的頻帶使用,通過統(tǒng)一的基帶處理實現(xiàn)離散頻帶的同時傳輸。

  其實濾波器技術(shù)經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段,據(jù)江雄回憶,十幾年前的SAW濾波器還是陶瓷封裝的,陶瓷封裝很堅固,也很耐用;后來日本的村田將它做成了塑料封裝。 再后來發(fā)展成現(xiàn)在的WLP封裝。這種晶圓級的封裝是以BGA技術(shù)為基礎(chǔ),是一種經(jīng)過改進和提高的CSP。有人又將WLP稱為圓片級-芯片尺寸封裝。圓片級 封裝技術(shù)以圓片為加工對象,在圓片上同時對眾多芯片進行封裝、老化、測試,最后切割成單個器件,可以直接貼裝到基板或印刷電路板上。它使封裝尺寸減小至 IC芯片的尺寸,生產(chǎn)成本大幅下降。

  “眾所周知,智能手機廠商對成本都比較敏感,一般都會盡可能降低制造成本。同樣,如果濾 波器的成本過高,肯定會提高手機廠商的成本。而在整個濾波器的成本中,所占比重最大的可能很多人都猜不到是哪一部分。”江雄在演講中表示,“其實濾波器里 面部分的成本并不高,最高的部分在于封裝,對于陶瓷封裝來說,封裝的成本占整個濾波器成本的50%左右,塑料封裝的成本占85%以上。而現(xiàn)在的WLP封裝 成本很低,使得濾波器的成本一下就降下來了。”

  “這是一種顛覆性的技術(shù)。”他抑制不住自己的興奮。說到Tri Quint在中國市場上的表現(xiàn),他自豪地表示:“目前中國市面上能見到的LTE手機,基本上都有使用我們的BAW濾波器。2014年的濾波器產(chǎn)量大于10億,是全球成長最快的濾波器制造商。”

  功率放大器的不同工藝對比

  載波聚合、多頻帶和嚴格的系統(tǒng)指標將會持續(xù)推動前端的集成趨勢,提高集成度可以克服LTE RF的挑戰(zhàn)。TriQuint也推出過不少集成化的產(chǎn)品。但說到集成,不得不提高通的RF360前端解決方案,該方案是一個高度集成的射頻前端,基本 整合了調(diào)制解調(diào)器和天線之間的所有基本組件,包括:集成天線開關(guān)的射頻功率放大器、無線電收發(fā)器、天線匹配調(diào)諧器和包絡(luò)功率追蹤器。使用該方案能夠簡化和 解決蜂窩前端面臨的眾多復(fù)雜挑戰(zhàn)。這個解決方案是基于SOI CMOS工藝的,其實到目前為止它的性能指標還是沒辦法跟GaAs技術(shù)相比。江雄表示,GaAs在性能上有更好的優(yōu)勢,如果同樣是使用GaAs技術(shù)的話, 效果可以有60%的提升。他同時還指出了CMOS技術(shù)一個比較很大的“痛點”,那就是成本較高,利潤很不理想。

  與TriQuint重點關(guān)注手機端的射頻技術(shù)不同,飛思卡爾的主要關(guān)注點在基站等 無線通信等領(lǐng)域的射頻技術(shù)。飛思卡爾中國區(qū)射頻資深應(yīng)用經(jīng)理狄松則表示,射頻功率放大器的應(yīng)用場合很多,有無線通信、民用雷達、廣播、醫(yī)療、加熱和激光應(yīng) 用等領(lǐng)域。在他看來,目前總的市場上的功率放大器還是以基于Si工藝的成熟LDMOS技術(shù)為主,占有率在70%以上。在無線通訊領(lǐng)域,得益于LDMOS優(yōu) 秀的性價比,LDMOS的市場占有率應(yīng)該在90%以上。

  他認為,從性能來說,GaAs和GaN可以應(yīng)用在高頻段場合而維持著 不錯的效率。但GaAs由于漏極電壓的限制,輸出的功率能力相對來說較低; 而對于GaN來說,由于材料和加工工藝的復(fù)雜性,相對于其他工藝的器件來說,成本上相對較高,另外大規(guī)模供貨相對于LDMOS來說沒有優(yōu)勢。而GeSi的 成本較低,但只適合應(yīng)用于較小功率的放大器甚至在LNA(低噪聲放大器)中。

  LDMOS自上個世紀90年代成功商用以來,工 藝制造技術(shù)日趨成熟、穩(wěn)定。另外在產(chǎn)品性能上,LDMOS功率管在現(xiàn)有的3G, 4G無線通訊的應(yīng)用頻段(例如2GHz左右或以下的頻段),相對于GaN來說沒有明顯的劣勢,而在成本上相對GaAs和GaN來說還有一定的優(yōu)勢,綜合來 說LDMOS功率管性價比較高。從另外一方面來說,由于器件工藝的成熟和系統(tǒng)應(yīng)用層面的不斷進步,LDMOS的商用成熟度也是最高的。同時因為現(xiàn)在的各個 LDMOS廠家包括Freescale在內(nèi)還在積極研發(fā)新一代高性能產(chǎn)品(包括有源Die和高效率的內(nèi)匹配技術(shù)和集成等等),LDMOS器件性能也會持續(xù) 不斷提高。

  而GaN晶體管首次出現(xiàn)在20世紀90年代,最近幾年才開始商業(yè)化應(yīng)用。GaN的普及在于其高電流和高電壓性,這 使得它在微波應(yīng)用和功率切換上極具價值。GaN技術(shù)在性能上優(yōu)于其他射頻技術(shù),這是因為在給定頻率下,GaN可以同時提供最高的功率、增益和效率組合,還 因為GaN可以在較高的工作電壓下工作,并且降低系統(tǒng)電流。

  盡管與Si和GaAs等其他半導(dǎo)體材料相比,GaN是相對較新的技術(shù),但是對于遠距離信號傳送或高端功率級別等(例如雷達、基站收發(fā)臺、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)等)高射頻和高功率應(yīng)用,GaN已經(jīng)成為優(yōu)先選擇。這一點江雄表示同意,不過他還是覺得在手機端使用GaN技術(shù)目前來說還顯得有點奢侈。

  在狄松看來,“未來幾年,我們預(yù)計LDMOS還將繼續(xù)占領(lǐng)市場主流。但我們同時看到,在一些高頻段應(yīng)用領(lǐng)域(比方說3.5GHz或更高頻段),由于GaN的性能優(yōu)勢,對于效率要求較高的項目,GaN的方案會被應(yīng)用在其中進行補充。”

  另外,他還認為隨著5G的推出和標準的逐步明確,各個器件供應(yīng)商會推出集成度較高的器件,如RFIC等。如果頻段較高,如工作在10GHz以上的頻段,功放 可能會采用GaAs,GaN或更新的技術(shù)材料器件。對此,他覺得主要原因是因為用于手機上的射頻功率放大器輸出功率較小,相對基站功放來說,單芯片比較容 易滿足多頻段和多制式的要求。

  小結(jié)

  隨著LTE的出現(xiàn),智能手機需要支持的頻段越來越多,給手機的設(shè)計帶來了更大的難度,需要的射頻器件也變得越多。這個必將促使射頻廠商提供更多集成度更高、性能更好的產(chǎn)品。而未來哪種射頻技術(shù)最合適,還需要市場的檢驗,就目前來說低成本的射頻技術(shù)更加受手機廠商青睞。



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