5G來臨RF前端需要怎樣的工藝和技術(shù)

（文章來源：電子工程網(wǎng)）

RF器件和工藝技術(shù)的市場正在升溫，特別是對于智能手機中使用的兩個關(guān)鍵組件——RF開關(guān)器件和天線調(diào)諧器。RF器件制造商及其代工合作伙伴繼續(xù)推出基于RF SOI工藝技術(shù)的傳統(tǒng)RF開關(guān)芯片和調(diào)諧器，用于當(dāng)今的4G無線網(wǎng)絡(luò)。最近，GlobalFoundries為未來的5G網(wǎng)絡(luò)推出了45nm RF SOI工藝。RF SOI是RF版本的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，利用內(nèi)置隔離的高電阻率襯底。

為了打破市場環(huán)境，一家無晶圓廠IC設(shè)計公司Cavendish Kinetics正在推出基于一種替代技術(shù)——RF MEMS的新一代RF產(chǎn)品和天線調(diào)諧器。RF開關(guān)和調(diào)諧器是手機RF前端模塊中的關(guān)鍵組件之一。RF前端將發(fā)送和接收功能集成到系統(tǒng)中，RF開關(guān)對信號進行路由。調(diào)諧器幫助天線調(diào)整到任意頻段。

無論哪種器件和技術(shù)類型，當(dāng)今RF市場的挑戰(zhàn)都令人望而生畏。Cavendish Kinetics總裁兼首席執(zhí)行官Paul Dal Santo表示：“幾年前，RF是一項相當(dāng)簡單的設(shè)計。但事情現(xiàn)在已經(jīng)大大改變。首先，RF前端必須可以處理非常寬的頻率范圍，從600 MHz至3 GHz。采用先進的信號技術(shù)和5G技術(shù)，頻率范圍將達到5GHz至60GHz。這給前端RF設(shè)計師帶來了難以置信的挑戰(zhàn)?！?/p>

考慮到這些挑戰(zhàn)，手機OEM廠商必須考慮選擇一些新的組件。具體來說，對于RF開關(guān)和天線調(diào)諧器，可以歸結(jié)為兩種技術(shù)——基于RF SOI的器件和RF MEMS。RF SOI是現(xiàn)有技術(shù)?；赗F SOI的器件能力尚可，但它們開始遇到一些技術(shù)問題。除此之外，市場還存在價格壓力，隨著器件從200mm遷移到300mm晶圓廠，問題還會出現(xiàn)。

相比之下，RF MEMS有一些有趣的特性，并在某些領(lǐng)域取得了進展。事實上，Cavendish Kinetics公司表示，其基于RF MEMS的天線調(diào)諧器正在被三星和其他OEM接受。

Strategy Analytics的分析師Chris Taylor說：“接觸式RF MEMS提供非常低的導(dǎo)通電阻，從而降低插入損耗。但RF MEMS沒有生產(chǎn)記錄，高容量無線系統(tǒng)OEM廠商將不會對新技術(shù)和小型供應(yīng)商做出巨大貢獻。當(dāng)然，RF MEMS作為替代品，價格必須有競爭力，但主要OEM廠商想要可靠性得到檢驗的產(chǎn)品和可靠的供應(yīng)來源。”

不過，在智能手機（RF開關(guān)，調(diào)諧器，和其他組件）的混合商業(yè)環(huán)境中，RF前端市場值得關(guān)注。根據(jù)Pacific Crest Securities的數(shù)據(jù)，智能手機出貨量預(yù)計將在2017年增長1％，而2016年則增長了1．3％。另一方面，根據(jù)YoleDéveloppement的數(shù)據(jù)，手機的RF前端模塊／組件市場預(yù)計將從2016年的101億美元躍升至2022年的227億美元。 據(jù)Strategy Analytics分析，RF開關(guān)器件市場在2016年達到了17億美元。

隨著OEM廠商繼續(xù)在智能手機中增加更多RF內(nèi)容，RF市場正在不斷增長。Strategy Analytics的Taylor說：“多頻段LTE也正在向下層器件延伸，開關(guān)內(nèi)容正在增加?！痹谵D(zhuǎn)向4G或長期演進（LTE）的過程中，每臺手機的RF開關(guān)器件數(shù)量都有所增加。Taylor 說：“我們每年都在談?wù)摯罅康膯卧?，大多?shù)但并非全部（RF開關(guān)）都會進入手機，其中現(xiàn)在絕大多數(shù)是SOI。RF MEMS仍然是新興市場，相對于RF SOI開關(guān)來說微不足道?！?/p>

盡管RF開關(guān)的出貨數(shù)量很大，但是市場競爭激烈，價格壓力較大。Taylor 表示，這些器件的平均銷售價格（ASP）為10－20美分。同時，在一個簡單的系統(tǒng)中，RF前端由多個組件組成——功率放大器、低噪聲放大器（LNA）、濾波器、以及RF開關(guān)。

GlobalFoundries的技術(shù)人員Randy Wolf在最近的一個演講中說：“功率放大器的主要目的是確保有足夠的“動力”可以讓您的信號或信息到達目的地?！盠NA放大來自天線的小信號。RF開關(guān)將信號從一個組件路由到另一個組件。Wolf 說：“（濾波器）可防止一切無用信號進入?！?/p>

在手機中，2G和3G無線網(wǎng)絡(luò)的RF功能簡單。2G有四個頻段，3G有五個頻段。 但對4G來說，有40多個頻段。4G不僅融合了2G和3G頻段，而且還搭載了4G頻段。除此之外，移動運營商已經(jīng)部署了一種稱為載波聚合的技術(shù)。載波聚合將多個信道或分量載波組合到一個大數(shù)據(jù)管道中，可以在無線網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)更大的帶寬和更快的數(shù)據(jù)速率。

為了處理頻段和載波聚合，OEM廠商需要復(fù)雜的RF前端模塊。今天的模塊可以集成兩個或多個多模、多頻帶功率放大器，以及多個開關(guān)和濾波器。Qorvo移動戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Abhiroop Dutta表示：“這取決于采用的RF架構(gòu)。PA的數(shù)量由手機正在尋址的區(qū)域頻帶決定。通過單個SKU在全球范圍內(nèi)應(yīng)對全球多地區(qū)或全球蜂窩市場的典型“全球通”手機，頻段覆蓋面廣泛。對于這種手機的典型RF前端集成模塊的實現(xiàn)，一個選擇是使用具有分頻帶模塊的RF前端，以解決高、中、低頻帶的不同要求。”相比之下，智能手機OEM廠商可能會為特定市場設(shè)計區(qū)域手機。Dutta表示： “一個例子是針對中國國內(nèi)市場的手機。在這種情況下，RF前端需要支持該地區(qū)的頻段?！?/p>

根據(jù)Cavendish Kinetics的理論，LTE手機還有兩種天線，主集天線和分集天線。主集天線用于發(fā)射和接收功能，分集天線提高了手機的下行數(shù)據(jù)速率。實際操作中，信號到達主集天線。然后移動到天線調(diào)諧器，允許系統(tǒng)調(diào)整到任何頻帶。然后，信號進入一系列RF開關(guān)。GlobalFoundries的Wolf說：“它轉(zhuǎn)換到您要使用的適用頻段，GSM、3G、或4G?！毙盘枏倪@里進入濾波器，其次是功率放大器，最后到達接收器。

考慮到這種復(fù)雜性，手機OEM面臨一些挑戰(zhàn)。功耗和尺寸至關(guān)重要。Wolf說：“由于這種復(fù)雜性，您的信號在前端受到更多損失，這對您的接收機的總體噪聲系數(shù)造成了負(fù)面影響?！憋@然，RF開關(guān)在解決這個問題方面起到了關(guān)鍵作用?？傮w而言，智能手機可能包含十余個RF開關(guān)器件?；镜腞F開關(guān)采用單刀單擲（SPST）配置。這是一個簡單的on－off開關(guān)。

今天，OEM們使用更復(fù)雜的開關(guān)配置。Ron＊Coff是RF開關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)Peregrine Semiconductor的理論：“Ron＊Coff是無線電信號通過開關(guān)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)（Ron，或?qū)娮瑁r產(chǎn)生的損耗比率，以及無線電信號在“關(guān)閉”狀態(tài)下通過電容器的泄漏比率（Coff，或關(guān)斷電容）”

總而言之，OEM廠商需要沒有插入損耗以及具有良好隔離的RF開關(guān)。插入損耗涉及信號功率的損失。如果開關(guān)沒有良好的隔離，系統(tǒng)可能會遇到干擾。Qorvo的Dutta表示：“總的來說，RF前端面臨的挑戰(zhàn)是支持日益增長的性能需求，這與不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和增加頻帶覆蓋范圍相一致。同時還要考慮縮小RF器件封裝的尺寸，因為手機變薄了。插入損耗、天線功率，以及隔離等關(guān)鍵指標(biāo)仍然推動RF產(chǎn)品解決方案的不斷發(fā)展的驅(qū)動力?！?br /> ? ? ? ?（責(zé)任編輯：fqj）