4G时代的射频元器件技术演进及对比

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从2009年12月到2014年1月,全球有101个国家/地区共264个LTE网络投入商业运营。预计未来五年将有几乎同样多数量的LTE网络投入运营,LTE网络将会覆盖全球64%的人口。同时,据市场调研公司预计,未来五年智能手机的高端市场会趋近饱和,年均复合增长率会小于5%;但由于存在替换原来功能机的需求,中低端智能手机市场会仍然以大于20%的速度增长;因此,智能手机总的出货量会以约15%的速度增长,但每个设备的RF含量会以更快的速度增长。

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滤波器需求增长

由于4G LTE的出现,使得频段越来越多,频段越多就会导致智能手机的设计复杂性越来越大;加上频谱资源是一个非常稀缺的资源,特别是在北美和欧洲地区,频谱非常拥挤,这样就一定会增加滤波器的复杂性。TriQuint中国区移动产品销售总监江雄在9月份IIC期间的一次主题演讲中表示,“LTE的采用将会推动 RF总体有效市场(TAM)大幅增长。”

他指出,未来几年,高性能滤波器会以年均复合增长率40%~50%的速度增长(如图1所示)。他强调,这里的高性能滤波器主要指体声波(BAW)和温度补偿声表面波(TC-SAW)这两种滤波器。

不同类型的手机中采用的滤波器类型和数量都是不一样的,比如在功能机时代,只需要普通的SAW滤波器就足够了;就算是3G手机时代,对BAW滤波器和 TC-SAW滤波器的需求也不大。但是到了4G时代,一款智能手机必须要对多个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波,同时还要对 WiFi、蓝牙和GPS接收器等的接收路径进行滤波,而高端智能手机可能需要用到滤波器的地方会更多。这些频带范围都不相同,又不能相互干扰,这必然需要 更多的滤波器来对这些信号进行隔离。

而 SAW滤波器由于本身的局限性,一般只适用于1.5GHz以下的应用。另外它也易受温 度变化的影响。高于1.5GHz时,TC-SAW和BAW滤波器则更具性能优势。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G和4G应用。还有就是即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也没有那么敏感,同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。“BAW的集成化更 高、性能更好、带宽的抑制能力更强,而且它为大于2GHz的LTE频带进行了优化。”江雄在演讲中提到。

智 能手机中的高级滤波器需求会持续增加,从图2中我们可以看到移动设备中的RF器件发展主要有三个趋势:一是功率放大器市场是从持平到缓慢下降,江雄认为这主要是因为宽带放大器的应用造成的;二是CMOS开关和调谐元件会稳步增长,调谐元件目前很多手机没有,但以后的手机基 本都会具备;三是滤波器的增长是非常迅速的。他认为这后面的原因比较多,但最主要的是频带扩散、载波聚合和分集接收/WiFi。

对于在 4G时代,为什么需要采用载波聚合技术,江雄是这样解释的,“LTE-Advanced在低移动性下峰值速率达到1Gbps,高移动性下峰值速率达到 100Mbps。那么为了支持这样的峰值速率,我们需要更大的带宽。而对运营商来说,频谱资源相对来说是比较紧的,每个运营商分到的频谱资源不多,特别是 连续的频谱资源时非常有限的。为了解决这个问题,LTE-Advanced就提出了载波聚合的解决方案。”

载波聚合目前有两种实现方式,一是连续载波聚合,将相邻的数个较小的载波整合为一个较大的载波;另一个是非连续载波聚合,就是将离散的多载波聚合起来,当作一个较宽的频带使用,通过统一的基带处理实现离散频带的同时传输。

其实滤波器技术经历了不同的发展阶段,据江雄回忆,十几年前的SAW滤波器还是陶瓷封装的,陶瓷封装很坚固,也很耐用;后来日本的村田将它做成了塑料封装。 再后来发展成现在的WLP封装。这种晶圆级的封装是以BGA技术为基础,是一种经过改进和提高的CSP。有人又将WLP称为圆片级-芯片尺寸封装。圆片级 封装技术以圆片为加工对象,在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试,最后切割成单个器件,可以直接贴装到基板或印刷电路板上。它使封装尺寸减小至 IC芯片的尺寸,生产成本大幅下降。

“众所周知,智能手机厂商对成本都比较敏感,一般都会尽可能降低制造成本。同样,如果滤 波器的成本过高,肯定会提高手机厂商的成本。而在整个滤波器的成本中,所占比重最大的可能很多人都猜不到是哪一部分。”江雄在演讲中表示,“其实滤波器里 面部分的成本并不高,最高的部分在于封装,对于陶瓷封装来说,封装的成本占整个滤波器成本的50%左右,塑料封装的成本占85%以上。而现在的WLP封装 成本很低,使得滤波器的成本一下就降下来了。”

“这是一种颠覆性的技术。”他抑制不住自己的兴奋。说到TriQuint在中国市场上的表现,他自豪地表示:“目前中国市面上能见到的LTE手机,基本上都有使用我们的BAW滤波器。2014年的滤波器产量大于10亿,是全球成长最快的滤波器制造商。”

射频功率放大器的不同工艺对比

载波聚合、多频带和严格的系统指标将会持续推动射频前端的集成趋势,提高集成度可以克服LTE RF的挑战。TriQuint也推出过不少集成化的产品。但说到集成,不得不提高通的RF360射频前端解决方案,该方案是一个高度集成的射频前端,基本 整合了调制解调器和天线之间的所有基本组件,包括:集成天线开关的射频功率放大器、无线电收发器、天线匹配调谐器和包络功率追踪器。使用该方案能够简化和 解决蜂窝前端面临的众多复杂挑战。这个解决方案是基于SOI CMOS工艺的,其实到目前为止它的性能指标还是没办法跟GaAs技术相比。江雄表示,GaAs在性能上有更好的优势,如果同样是使用GaAs技术的话, 效果可以有60%的提升。他同时还指出了CMOS技术一个比较很大的“痛点”,那就是成本较高,利润很不理想。

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与 TriQuint重点关注手机端的射频技术不同,飞思卡尔的主要关注点在基站等无线通信等领域的射频技术。飞思卡尔中国区射频资深应用经理狄松则表示,射频功率放大器的应用场合很多,有无线通信、民用雷达、广播、医疗、加热和激光应 用等领域。在他看来,目前总的市场上的功率放大器还是以基于Si工艺的成熟LDMOS技术为主,占有率在70%以上。在无线通讯领域,得益于LDMOS优 秀的性价比,LDMOS的市场占有率应该在90%以上。

他认为,从性能来说,GaAs和GaN可以应用在高频段场合而维持着不错的效率。但GaAs由于漏极电压的限制,输出的功率能力相对来说较低; 而对于GaN来说,由于材料和加工工艺的复杂性,相对于其他工艺的器件来说,成本上相对较高,另外大规模供货相对于LDMOS来说没有优势。而GeSi的成本较低,但只适合应用于较小功率的放大器甚至在LNA(低噪声放大器)中。

LDMOS 自上个世纪90年代成功商用以来,工 艺制造技术日趋成熟、稳定。另外在产品性能上,LDMOS功率管在现有的3G, 4G无线通讯的应用频段(例如2GHz左右或以下的频段),相对于GaN来说没有明显的劣势,而在成本上相对GaAs和GaN来说还有一定的优势,综合来 说LDMOS功率管性价比较高。从另外一方面来说,由于器件工艺的成熟和系统应用层面的不断进步,LDMOS的商用成熟度也是最高的。同时因为现在的各个 LDMOS厂家包括Freescale在内还在积极研发新一代高性能产品(包括有源Die和高效率的内匹配技术和集成等等),LDMOS器件性能也会持续 不断提高。

而GaN晶体管首次出现在20世纪90年代,最近几年才开始商业化应用。GaN的普及在于其高电流和高电压性,这 使得它在微波应用和功率切换上极具价值。GaN技术在性能上优于其他射频技术,这是因为在给定频率下,GaN可以同时提供最高的功率、增益和效率组合,还 因为GaN可以在较高的工作电压下工作,并且降低系统电流。

尽管与Si和GaAs等其他半导体材料相比,GaN是相对较新的技术,但是对 于远距离信号传送或高端功率级别等(例如雷达、基站收发台、卫星通信、电子战等)高射频和高功率应用,GaN已经成为优先选择。这一点江雄表示同意,不过 他还是觉得在手机端使用GaN技术目前来说还显得有点奢侈。

在狄松看来,“未来几年,我们预计LDMOS还将继续占领市场主流。但我们同时看到,在一些高频段应用领域(比方说3.5GHz或更高频段),由于GaN的性能优势,对于效率要求较高的项目,GaN的方案会被应用在其中进行补充。”

另 外,他还认为随着5G的推出和标准的逐步明确,各个器件供应商会推出集成度较高的器件,如RFIC等。如果频段较高,如工作在10GHz以上的频段,功放 可能会采用GaAs,GaN或更新的技术材料器件。对此,他觉得主要原因是因为用于手机上的射频功率放大器输出功率较小,相对基站功放来说,单芯片比较容 易满足多频段和多制式的要求。

小结

随着LTE的出现,智能手机需要支持的频段越来越多 ,给手机的设计带来了更大的难度,需要的射频器件也变得越多。这个必将促使射频厂商提供更多集成度更高、性能更好的产品。而未来哪种射频技术最合适,还需要市场的检验,就目前来说低成本的射频技术更加受手机厂商青睐。

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