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5G杀到!射频前端需要怎样的工艺和技术?

导读: RF开关和调谐器是手机RF前端模块中的关键组件之一。RF前端将发送和接收功能集成到系统中,RF开关对信号进行路由。调谐器帮助天线调整到任意频段。

OFweek通信网讯 RF器件和工艺技术的市场正在升温,特别是对于智能手机中使用的两个关键组件——RF开关器件和天线调谐器。

RF器件制造商及其代工合作伙伴继续推出基于RF SOI工艺技术的传统RF开关芯片和调谐器,用于当今的4G无线网络。最近,GlobalFoundries为未来的5G网络推出了45nm RF SOI工艺。RF SOI是RF版本的绝缘体上硅(SOI)技术,利用内置隔离的高电阻率衬底。

为了打破市场环境,一家无晶圆厂IC设计公司Cavendish Kinetics正在推出基于一种替代技术——RF MEMS的新一代RF产品和天线调谐器。

RF开关和调谐器是手机RF前端模块中的关键组件之一。RF前端将发送和接收功能集成到系统中,RF开关对信号进行路由。调谐器帮助天线调整到任意频段。

无论哪种器件和技术类型,当今RF市场的挑战都令人望而生畏。Cavendish Kinetics总裁兼首席执行官Paul Dal Santo表示:“几年前,RF是一项相当简单的设计。但事情现在已经大大改变。首先,RF前端必须可以处理非常宽的频率范围,从600 MHz至3 GHz。采用先进的信号技术和5G技术,频率范围将达到5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带来了难以置信的挑战。”

考虑到这些挑战,手机OEM厂商必须考虑选择一些新的组件。具体来说,对于RF开关和天线调谐器,可以归结为两种技术——基于RF SOI的器件和RF MEMS。

RF SOI是现有技术。基于RF SOI的器件能力尚可,但它们开始遇到一些技术问题。除此之外,市场还存在价格压力,随着器件从200mm迁移到300mm晶圆厂,问题还会出现。

相比之下,RF MEMS有一些有趣的特性,并在某些领域取得了进展。事实上,Cavendish Kinetics公司表示,其基于RF MEMS的天线调谐器正在被三星和其他OEM接受。

Strategy Analytics的分析师Chris Taylor说:“接触式RF MEMS提供非常低的导通电阻,从而降低插入损耗。但RF MEMS没有生产记录,高容量无线系统OEM厂商将不会对新技术和小型供应商做出巨大贡献。当然,RF MEMS作为替代品,价格必须有竞争力,但主要OEM厂商想要可靠性得到检验的产品和可靠的供应来源。”

RF前端

不过,在智能手机(RF开关,调谐器,和其他组件)的混合商业环境中,RF前端市场值得关注。根据Pacific Crest Securities的数据,智能手机出货量预计将在2017年增长1%,而2016年则增长了1.3%。

另一方面,根据YoleDéveloppement的数据,手机的RF前端模块/组件市场预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。 据Strategy Analytics分析,RF开关器件市场在2016年达到了17亿美元。

随着OEM厂商继续在智能手机中增加更多RF内容,RF市场正在不断增长。Strategy Analytics的Taylor说:“多频段LTE也正在向下层器件延伸,开关内容正在增加。”

在转向4G或长期演进(LTE)的过程中,每台手机的RF开关器件数量都有所增加。Taylor 说:“我们每年都在谈论大量的单元,大多数但并非全部(RF开关)都会进入手机,其中现在绝大多数是SOI。RF MEMS仍然是新兴市场,相对于RF SOI开关来说微不足道。”

尽管RF开关的出货数量很大,但是市场竞争激烈,价格压力较大。Taylor 表示,这些器件的平均销售价格(ASP)为10-20美分。

同时,在一个简单的系统中,RF前端由多个组件组成——功率放大器、低噪声放大器(LNA)、滤波器、以及RF开关。

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图1:简单的前端模块。(来源:Globalfoundries,“使用RF SOI设计下一代蜂窝和Wi-Fi开关”,2016年5月)

GlobalFoundries的技术人员Randy Wolf在最近的一个演讲中说:“功率放大器的主要目的是确保有足够的“动力”可以让您的信号或信息到达目的地。”

LNA放大来自天线的小信号。RF开关将信号从一个组件路由到另一个组件。Wolf 说:“(滤波器)可防止一切无用信号进入。”

在手机中,2G和3G无线网络的RF功能简单。2G有四个频段,3G有五个频段。 但对4G来说,有40多个频段。4G不仅融合了2G和3G频段,而且还搭载了4G频段。

除此之外,移动运营商已经部署了一种称为载波聚合的技术。载波聚合将多个信道或分量载波组合到一个大数据管道中,可以在无线网络中实现更大的带宽和更快的数据速率。

为了处理频段和载波聚合,OEM厂商需要复杂的RF前端模块。今天的模块可以集成两个或多个多模、多频带功率放大器,以及多个开关和滤波器。Qorvo移动战略营销经理Abhiroop Dutta表示:“这取决于采用的RF架构。PA的数量由手机正在寻址的区域频带决定。通过单个SKU在全球范围内应对全球多地区或全球蜂窝市场的典型“全球通”手机,频段覆盖面广泛。对于这种手机的典型RF前端集成模块的实现,一个选择是使用具有分频带模块的RF前端,以解决高、中、低频带的不同要求。”

相比之下,智能手机OEM厂商可能会为特定市场设计区域手机。Dutta表示: “一个例子是针对中国国内市场的手机。在这种情况下,RF前端需要支持该地区的频段。”

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图2:4G前端 (来源:GlobalFoundries,“使用RF SOI设计下一代蜂窝和Wi-Fi开关”,2016年5月)

根据Cavendish Kinetics的理论,LTE手机还有两种天线,主集天线和分集天线。主集天线用于发射和接收功能,分集天线提高了手机的下行数据速率。

实际操作中,信号到达主集天线。然后移动到天线调谐器,允许系统调整到任何频带。

然后,信号进入一系列RF开关。GlobalFoundries的Wolf说:“它转换到您要使用的适用频段,GSM、3G、或4G。”信号从这里进入滤波器,其次是功率放大器,最后到达接收器。

考虑到这种复杂性,手机OEM面临一些挑战。功耗和尺寸至关重要。Wolf说:“由于这种复杂性,您的信号在前端受到更多损失,这对您的接收机的总体噪声系数造成了负面影响。”

显然,RF开关在解决这个问题方面起到了关键作用。总体而言,智能手机可能包含十余个RF开关器件。基本的RF开关采用单刀单掷(SPST)配置。这是一个简单的on-off开关。

今天,OEM们使用更复杂的开关配置。Ron*Coff是RF开关的关键指标。根据Peregrine Semiconductor的理论:“Ron*Coff是无线电信号通过开关处于“导通”状态(Ron,或导通电阻)时产生的损耗比率,以及无线电信号在“关闭”状态下通过电容器的泄漏比率(Coff,或关断电容)”

总而言之,OEM厂商需要没有插入损耗以及具有良好隔离的RF开关。插入损耗涉及信号功率的损失。如果开关没有良好的隔离,系统可能会遇到干扰。Qorvo的Dutta表示:“总的来说,RF前端面临的挑战是支持日益增长的性能需求,这与不断发展的标准和增加频带覆盖范围相一致。同时还要考虑缩小RF器件封装的尺寸,因为手机变薄了。插入损耗、天线功率,以及隔离等关键指标仍然推动RF产品解决方案的不断发展的驱动力。”

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责任编辑:Moon
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