手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢

2017-04-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

2015年,全球移動終端射頻器件市場規(guī)模約有110 億美元。根據(jù)Yole報告《手機(jī)射頻前端模塊和組件-2017版》,到2022年射頻前端(FEM)市場將達(dá)到227億美元,復(fù)合增長率達(dá)到14%。隨著4G特別是未來5G的發(fā)展,手機(jī)射頻前端器件需求量增長,變得越來越重要,在手機(jī)所占的成本也越來越高。

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手機(jī)射頻前端主要包括功率放大器(Power Amplifier)、天線開關(guān)(Antenna Switch)、濾波器(Filter)/雙工器(Duplexer)、低噪聲放大器(LNA)等器件,再加上基帶芯片組成了手機(jī)射頻系統(tǒng)。

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這一塊市場的全球主要參與者包括Skyworks、Qorvo、Avago、TDK、Murata等,本文不從市場角度去探討,而主要從技術(shù)發(fā)展趨勢的角度來做介紹。從總的趨勢來說,4G特別是5G的發(fā)展,帶來了更多的頻段和制式,由于手機(jī)設(shè)計的空間有限,需要盡可能的集成,同時要滿足性能的需求,也因此帶來了工藝的改進(jìn)。比如PA與不同頻段開關(guān)及濾波器的集成,以及不同頻率的PA集成。同時,為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)吞吐量,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、載波聚合和包絡(luò)(ET)技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。下面分別介紹各類主要器件。

1、功率放大器(PA)

PA直接決定了手機(jī)無線通信的距離、信號質(zhì)量,甚至待機(jī)時間,是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G前向兼容,以及由此帶來的頻段的增加而增加,以PA模組為例,4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆,StrategyAnalytics預(yù)測稱5G時代手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。

就工藝材料來說,目前砷化鎵PA是主流,CMOS PA由于參數(shù)性能的影響,只用于低端市場。4G特別是例如高通等LTE cat16,4x20MHZ的載波聚合技術(shù),對PA線性度高Q值得要求,會進(jìn)一步依賴砷化鎵PA。同時,據(jù)Qorvo預(yù)測,隨著5G的普及, 8GHz以下砷化鎵PA仍是主流,但8GHz以上氮化鎵有望在手機(jī)市場成為主力。

射頻前端功能組件圍繞PA芯片設(shè)計、集成和演化,形成獨立于主芯片的前端芯片組。隨著無線通訊協(xié)議的復(fù)雜化及射頻前端芯片設(shè)計的不斷演進(jìn), PA設(shè)計廠商往往將開關(guān)或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個芯片封裝中,形成多種功能組合。根據(jù)實際情況,TxM(PA+Switch)、PAD(PA+ Duplexer)、 MMPA(多模多頻PA)等多種復(fù)合功能的PA芯片類型。

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2、濾波器(Filter)/雙工器(Duplexer)

RF濾波器包括了SAW(聲表面濾波器)、BAW(體聲波濾波器)、MEMS濾波器、IPD(Integrated Passive Devices)等,而雙工器是包含Rx和Tx濾波器。SAW、BAW濾波器的性能(插入損耗低、Q 值高)是目前手機(jī)應(yīng)用的主流濾波器。SAW 使用上限頻率為2.5GHz~3GHz,BAW使用頻率在 2.0GHz 以上。

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對SAW來說,技術(shù)趨勢是小型片式化、高頻寬帶化、降低插入損耗。采用更小尺寸,包括倒裝(flip chip packaging)和WLP(晶圓級封裝)、WLCSP(Wafer Level Chip ScalePackaging)技術(shù)正在使用,同時更高通帶率、High isolation,High selectivity以及更低價格。

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與 SAW 相比,BAW性能更好,成本也更高,但是當(dāng)頻段越來越多,甚至開始使用載波聚合的時候,就必須得用BAW技術(shù)才能解決頻段間的相互干擾問題。BAW所需的制造工藝步驟是 SAW 的10倍,但因它們是在更大晶圓上制造的,每片晶圓產(chǎn)出的 BAW 器件也多了約4倍。即便如此,BAW的成本仍高于 SAW。隨著技術(shù)的演進(jìn), BAW可能會逐步替代SAW。

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從集成角度,濾波器/雙工器除了與PA集成外,也會考慮與開關(guān)的集成,如圖所示。

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3、天線/開關(guān)(Antenna/Switch)

天線是在手機(jī)射頻前端方面,我國具有最大自主知識產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)域。MIMO技術(shù)的應(yīng)用普及為天線帶來巨大增量市場,預(yù)計到2020年,MIMO64x8將成為標(biāo)準(zhǔn)配置,即基站端采用64根天線,手機(jī)采用8根天線。目前市場上多數(shù)手機(jī)僅僅支持MIMO 2x2技術(shù),手機(jī)天線數(shù)量需要增3倍。5G將引入高頻率頻段,天線的設(shè)計方案將由現(xiàn)有的單體天線改為陣列天線,新型磁性材料及LTCC集成技術(shù)將是5G天線的核心技術(shù)。

在調(diào)諧及開關(guān)方面,需要特別強(qiáng)調(diào)的是MEMS開關(guān)的應(yīng)用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS調(diào)諧及開關(guān)技術(shù),其第一代射頻MEMS天線調(diào)諧器產(chǎn)品,已經(jīng)被各種智能手機(jī)采用,比如2014年發(fā)布的中興手機(jī)。

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