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        4G時代的射頻元器件技術演進及對比

        從2009年12月到2014年1月,全球有101個國家/地區共264個LTE網絡投入商業運營。預計未來五年將有幾乎同樣多數量的LTE網絡投入運 營,LTE網絡將會覆蓋全球64%的人口。同時,據市場調研公司預計,未來五年智能手機的高端市場會趨近飽和,年均復合增長率會小于5%;但由于存在替換 原來功能機的需求,中低端智能手機市場會仍然以大于20%的速度增長;因此,智能手機總的出貨量會以約15%的速度增長,但每個設備的RF含量會以更快的速度增長。

        濾波器需求增長

        由于4G LTE的出現,使得頻段越來越多,頻段越多就會導致智能手機的設計復雜性越來越大;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,頻譜非常 擁擠,這樣就一定會增加濾波器的復雜性。TriQuint中國區移動產品銷售總監江雄在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?!?/span>

        他指出,未來幾年,高性能濾波器會以年均復合增長率40%~50%的速度增長(如圖1所示)。他強調,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4G時代,一款智能手機必須要對多個頻段的2G、3G和4G無線接入方式的發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應用。還有就是即便在高寬帶設計中,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?!癇AW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頻帶進行了優化?!苯墼谘葜v中提到。

        智能手機中的高級濾波器需求會持續增加,從圖2中我們可以看到移動設備中的RF器件發展主要有三個趨勢: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用造成的;二是CMOS開關和調諧元件會穩步增長,調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,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?!?/span>

        載波聚合目前有兩種實現方式,一是連續載波聚合,將相鄰的數個較小的載波整合為一個較大的載波;另一個是非連續載波聚合,就是將離散的多載波聚合起來,當作一個較寬的頻帶使用,通過統一的基帶處理實現離散頻帶的同時傳輸。

        其實濾波器技術經歷了不同的發展階段,據江雄回憶,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。 再后來發展成現在的WLP封裝。這種晶圓級的封裝是以BGA技術為基礎,是一種經過改進和提高的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,所占比重大的可能很多人都猜不到是哪一部分?!苯墼谘葜v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。而現在的WLP封裝 成本很低,使得濾波器的成本一下就降下來了?!?/span>

        “這是一種顛覆性的技術?!彼种撇蛔∽约旱呐d奮。說到TriQuint在中國市場上的表現,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年的濾波器產量大于10億,是全球成長快的濾波器制造商?!?/span>

        射頻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指標將會持續推動射頻前端的集成趨勢,提高集成度可以克服LTE RF的挑戰。TriQuint也推出過不少集成化的產品。但說到集成,不得不提高通的RF360射頻前端解決方案,該方案是一個高度集成的射頻前端,基本 整合了調制解調器和天線之間的所有基本組件,包括:集成天線開關的射頻功率放大器、無線電收發器、天線匹配調諧器和包絡功率追蹤器。使用該方案能夠簡化和 解決蜂窩前端面臨的眾多復雜挑戰。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技術相比。江雄表示,GaAs在性能上有更好的優勢,如果同樣是使用GaAs技術的話, 效果可以有60%的提升。他同時還指出了CMOS技術一個比較很大的“痛點”,那就是成本較高,利潤很不理想。

        與TriQuint重點關注手機端的射頻技術不同,飛思卡爾的主要關注點在基站等 無線通信等領域的射頻技術。飛思卡爾中國區射頻資深應用經理狄松則表示,射頻功率放大器的應用場合很多,有無線通信、民用雷達、廣播、醫療、加熱和激光應 用等領域。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技術為主,占有率在70%以上。在無線通訊領域,得益于LDMOS優 秀的性價比,LDMOS的市場占有率應該在90%以上。

        他認為,從性能來說,GaAs和GaN可以應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,另外大規模供貨相對于LDMOS來說沒有優勢。而GeSi的 成本較低,但只適合應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 藝制造技術日趨成熟、穩定。另外在產品性能上,LDMOS功率管在現有的3G, 4G無線通訊的應用頻段(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應用層面的不斷進步,LDMOS的商用成熟度也是最高的。同時因為現在的各個 LDMOS廠家包括Freescale在內還在積極研發新一代高性能產品(包括有源Die和高效率的內匹配技術和集成等等),LDMOS器件性能也會持續 不斷提高。

        而GaN晶體管首次出現在20世紀90年代,最近幾年才開始商業化應用。GaN的普及在于其高電流和高電壓性,這 使得它在微波應用和功率切換上極具價值。GaN技術在性能上優于其他射頻技術,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,并且降低系統電流。

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

        在狄松看來,“未來幾年,我們預計LDMOS還將繼續占領市場主流。但我們同時看到,在一些高頻段應用領域(比方說3.5GHz或更高頻段),由于GaN的性能優勢,對于效率要求較高的項目,GaN的方案會被應用在其中進行補充?!?/span>

        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

        隨著LTE的出現,智能手機需要支持的頻段越來越多 ,給手機的設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、性能更好的產品。而未來哪種射頻技術最合適,還需要市場的檢驗,就目前來說低成本的射頻技術更加受手機廠商青睞。

         

        關鍵字: 瑞貝斯   微波器件 毫米波器件  微波電纜  毫米波電纜

         

        蘇州瑞貝斯電子科技有限公司是由在射頻微波領域有著極其豐富研發技服經驗的團隊骨干共同組建,是一家專業從事射頻微波電纜,連接器及射頻微波元器件的研發、生產、銷售及提供射頻解決方案的高科技企業, 致力服務于軍工、航空航天、射頻微波通信、石油勘探及工業控制設備、移動通信基站、衛星通信、醫療設備、汽車、雷達及儀器儀表等領域。  

         

         

         

         


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