4G時代的射頻技術

從2009年12月到2014年1月，全球有101個國家/地區(qū)共264個LTE網(wǎng)絡投入商業(yè)運營。預計未來五年將有幾乎同樣多數(shù)量的LTE網(wǎng)絡投入運 營，LTE網(wǎng)絡將會覆蓋全球64%的人口。同時，據(jù)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(xiàn)，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(qū)，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(qū)移動產(chǎn)品銷售總監(jiān)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。”

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。

圖1：LTE手機中的假設RF含量。

其實不同類型的手機中采用的濾波器類型和數(shù)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(fā)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(yōu)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。“BAW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(yōu)化。”江雄在演講中提到。

智能手機中的高級濾波器需求會持續(xù)增加，從圖2中我們可以看到移動設備中的RF器件發(fā)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(wěn)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。

圖2：移動設備RF TAM收入預測。

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(xù)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。”

載波聚合目前有兩種實現(xiàn)方式，一是連續(xù)載波聚合，將相鄰的數(shù)個較小的載波整合為一個較大的載波；另一個是非連續(xù)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(tǒng)一的基帶處理實現(xiàn)離散頻帶的同時傳輸。

其實濾波器技術經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，據(jù)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(fā)展成現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)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，所占比重最大的可能很多人都猜不到是哪一部分。”江雄在演講中表示，“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(xiàn)在的WLP封裝 成本很低，使得濾波器的成本一下就降下來了。”

“這是一種顛覆性的技術。”他抑制不住自己的興奮。說到TriQuint在中國市場上的表現(xiàn)，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(chǎn)量大于10億，是全球成長最快的濾波器制造商。”

射頻功率放大器的不同工藝對比

圖3中的左側部分顯示了一些不同工藝的功率放大器市場發(fā)展趨勢。圖中主要說明了GaAs HBT、GaAs E-pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS等目前市場上所占比例比較多的幾種功率放大器的未來發(fā)展趨勢。江雄認為在手機端GaAs技術在現(xiàn)在和未來幾年都將是市場中主要的功率放大器技術。 他不否認CMOS技術一直都在追趕的事實，不過還是覺得CMOS技術在現(xiàn)階段不是最好的選擇，理由是GaAs技術可以提供更高的效率，而且增益更高、增益 變化更低、相變更低，加上具有更小的尺寸和成本。他特意指出TriQuint的HBT第五代產(chǎn)品會讓這些優(yōu)勢更加明顯。

圖3：RF頻率的升高推動了濾波器技術的發(fā)展。

載波聚合、多頻帶和嚴格的系統(tǒng)指標將會持續(xù)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(zhàn)。TriQuint也推出過不少集成化的產(chǎn)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(fā)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(zhàn)。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(yōu)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。

圖4：不同工藝的功率放大器市場發(fā)展趨勢。

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(qū)射頻資深應用經(jīng)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(yī)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(yōu) 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(guī)模供貨相對于LDMOS來說沒有優(yōu)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(wěn)定。另外在產(chǎn)品性能上，LDMOS功率管在現(xiàn)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(yōu)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(tǒng)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(xiàn)在的各個 LDMOS廠家包括Freescale在內還在積極研發(fā)新一代高性能產(chǎn)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(xù) 不斷提高。

而GaN晶體管首次出現(xiàn)在20世紀90年代，最近幾年才開始商業(yè)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(yōu)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(tǒng)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(fā)臺、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)等)高射頻和高功率應用，GaN已經(jīng)成為優(yōu)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(xù)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(yōu)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。”

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(xiàn)，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(chǎn)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。