5G来临RF前端需要怎样的工艺和技术

（文章来源：电子工程网）

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。”

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。

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。”

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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