Qorvo:5G射频前端的挑战

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本文来自半导体行业观察

在很多分析师和厂商看来,5G这个高速、低延迟和广泛覆盖网络到来,除了在应用方面带来了变革的机会,给上游供应商也带来了不小的挑战,尤其是射频前端方面。

本文为大家带来Qorvo从领先射频前端解决方案供应商的角度谈谈5G时代射频前端的机遇与挑战。

5G手机的射频技术主要存在着四大挑战

1. 5G频段带来更多的射频器件和产品形态
 
正如我们所知道的,各个国家和地区使用的5G频段是不同的,但任何通信协议使用却都要符合频段规范,这就要求5G手机需要支持更多的频段(包括n41,n77和n78等)。这个是在做加法。
 
目前,能覆盖供全频段的射频器件厂商并不多, Qorvo是其中一家。
 
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2. 5G带来的多天线和新的射频指标要求
 
从智能手机系统架构上来看,5G需求更高的数据速率,需要更多的天线。这些天线包括多频带载波聚合、4x4 MIMO与Wi-Fi MIMO。从而带来了在天线调谐方面、放大器线性和功耗,还有其他系统干扰方面上的挑战。例如,在4G时代,市场比较关注放大器的ACPR指标。
 
但到了5G时代,市场则更需要专注于EVM(一般小于1.5%)。另一方面,5G手机使用的天线数量也将从2-4增加到 8根(甚至可能更多),但留给天线空间却变得更小了。
 
3. 运营商选择的网络架构的不确定性
 
5G的网络架构包含有独立的SA和与4G网络相结合的NSA两种。这个挑战主要在于,是选择4G anchor+5G数据连接,还是直接只选用5G去做信令控制和数据连接。据赵玉龙观察,目前国内采用的方式多为NSA和SA混合使用。
 
4.开关速度和信号路由的变化所带来的挑战
 
Qorvo是如何应对这些挑战的?

面对这种种挑战,Qorvo最重要的核心武器就是工艺和技术,公司独有的in-house模式,确保了公司的工艺技术可以准时实施。

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如图所示,这六大工艺优势,与产品结合,就是Qorvo在移动终端射频前端具有的优势。

 
(一)BAW和SAW技术
 
为了抑制外界干扰信号对终端接收信号灵敏度的影响,同时抑制发射通路射频信号的带外干扰,滤波器必不可少。目前SAW和BAW是比较常见且各有特色的滤波器。
 
BAW滤波器具有高选择性,低插损和高功率容量的特性, 这使得它非常适合要求非常苛刻的3G、4G以及5G应用。
 
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根据Qorvo的建议,我们可以看到,根据不同频率特性,有不同的滤波器产品组合。
 
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Qorvo的BAW发展蓝图规划
 
如果在中高的频率平台上,如果想做到高性能的话,BAW会是一个更加优化的选择。”David说道。
 
在载波聚合应用中,需要一根天线支持多频带同时工作的需求,这就给滤波器带来更多挑战,隔离损耗和线性度是最难实现的。基于BAW工艺的天线复用器(antennaplexer)和多工器(multiplexer)会大行其道。
 
David表示,在手机体积受限的前提下,天线复用器可以把GPS、WiFi、中频、高频和超高频等射频通道共用一个天线,节省天线数量。在这其中,就集成了Qorvo的BAW、调谐和开关器等。
 
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集成度越来越高的天线复用器
 
(二)SOI:对于Qorvo来说,RF-SOI技术主要用于天线调谐器和开关上
 
随着全面屏手机的普及,挤占了天线空间,使得天线效率变差,最终影响了TRP(Total Radiated Power),也就是天线的整体发射功率。随着5G对MIMO、CA的需求增加,天线数量还需要更多,以覆盖更大频段。
 
Qorvo 的开关、可调电容和用于天线控制系统 (ACS) 的阻抗调谐器产品组合提供改进辐射效率和减少失配损耗所需的技术,为单天线和多天线实施提供最佳天线性能。
 
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2019年,Qorvo第三代SOI工艺就将上市,可以看出工艺演进速度之快
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随着制式越来越多,需要更复杂和灵活的天线方案
 
(三)GaAs:砷化镓工艺是Qorvo的移动终端PA的引擎
 
5G对PA线性度要求更高,所以耐压高的GaAs工艺更受青睐。砷化镓Die倒装技术,已经被QRVO普遍采用。 相比于传统的砷化镓wire bonding封装,倒装工艺让模块厚度更薄,一致性更好。 通过配合SOI、CMOS和SAW/BAW的倒装工艺,尺寸更小,功能更多的SiP射频模组成为可能。
 
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如图所示,无论是GaN还是GaAs,Qorvo都有着完整的蓝图,比如砷化镓HBT7工艺、砷化镓电感或者为毫米波开发的下一代砷化镓pHEMT等,都将一一实现。
 
(四)先进的封装技术
 
由于Qorvo全部是自己的工厂,所以也可以不断开发出最具创新性的封装技术。实际上,随着智能手机对射频的要求越来越高,包括空间、干扰、散热等问题,手机厂商面对更大的挑战。
 
也正因此,Qorvo先后推出了RF Flex和RF Fusion品牌产品,通过在单个芯片中集成所有主要的 RFFE 组件,RF Fusion 可减少合规测试所需的时间,让射频设计极为简单化,同时还能减少散热和寄生效应的影响。
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除了WLCSP之外,包括Double-sided BGA等对尺寸有进一步要求的产品,Qorvo都在积极推进。
 
高端的旗舰机的差异化越来越多,比如引入三摄、四摄等元素,势必要缩小包括射频在内的所有其他部分,这对射频模块化(System-in-Package)产品来说是极大机会。
 
集微网:解决天线的痛点
 
在接受集微网记者采访的时候,David Zhao表示,不只是RF前端,天线的空间也将变得非常珍贵。为了支持MIMO、范围更广泛的频段和要求,5G智能手机的天线会从4个增加到8个,或者更多个。
 
与此同时,随着手机行业转而采用全屏智能手机设计,放置手机天线的边框区域会缩小,因此天线可用的空间实际上也会缩小。需要在更小的空间内安装更多的天线就意味着天线的尺寸必须缩小,因此天线的效率会降低。
 
手机厂商会采用两种方式来解决天线问题:
 
办法一:使用天线调谐,可以将每根天线都调谐到工作频段,使它更加高效。对于5G手机,鉴于其天线数量有限,且必须支持更广的频率范围,因此必须使用天线调谐来维持性能。
 
办法二:天线复用器(antennaplex)。天线复用器利用单个模块覆盖多个频率,使得多条RF通道可以同时连接至天线,同时防止通道之间的干扰。天线复用器目前被有些 LTE 手机用于路由CA信号,但它将会成为5G手机不可缺少的组件,用于支持 15 版和之后版本的规范所定义的海量双连接CA选项。
 
5G手机可能使用多天线的天线调谐解决方案,包括两种方法:孔径调谐(Aperture tuning)对于优化多频段天线效率以及补偿环境影响尤为重要;阻抗调谐(Impedance tuning)通过降低由于阻抗不匹配而从天线反射的功率来增加总辐射功率。作为移动天线调谐解决方案的行业领导者,Qorvo拥有多种基于低损耗开关的孔径和阻抗调谐产品,可提供优异的导通电阻和关断电容性能。
 
除去滤波器和天线调谐器,在PA方面,Qorvo也拥有包括CMOS、SOI、砷化镓和氮化镓在内的全面产品线。基于这些产品,Qorvo能够为客户提供满足不同场景需求的产品。
 
产品的比拼只是一个方面,基于从2G时代开始的经验积累,Qorvo在对系统方面的理解力也是其他很多厂商所不具备的。
 
Qorvo已经做好了准备,将与手机厂商一起,用丰富的经验和技术储备帮助他们把5G终端快速推向市场。

 

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