4G時(shí)代的射頻技術(shù)

從2009年12月到2014年1月，全球有101個(gè)國(guó)家/地區(qū)共264個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。預(yù)計(jì)未來(lái)五年將有幾乎同樣多數(shù)量的LTE網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn) 營(yíng)，LTE網(wǎng)絡(luò)將會(huì)覆蓋全球64%的人口。同時(shí)，據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司預(yù)計(jì)，未來(lái)五年智能手機(jī)的高端市場(chǎng)會(huì)趨近飽和，年均復(fù)合增長(zhǎng)率會(huì)小于5%；但由于存在替換 原來(lái)功能機(jī)的需求，中低端智能手機(jī)市場(chǎng)會(huì)仍然以大于20%的速度增長(zhǎng)；因此，智能手機(jī)總的出貨量會(huì)以約15%的速度增長(zhǎng)，但每個(gè)設(shè)備的RF含量會(huì)以更快的速度增長(zhǎng)。

濾波器需求增長(zhǎng)

由于4G LTE的出現(xiàn)，使得頻段越來(lái)越多，頻段越多就會(huì)導(dǎo)致智能手機(jī)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性越來(lái)越大；加上頻譜資源是一個(gè)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(huì)增加濾波器的復(fù)雜性。TriQuint中國(guó)區(qū)移動(dòng)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(huì)推動(dòng) RF總體有效市場(chǎng)(TAM)大幅增長(zhǎng)。”

他指出，未來(lái)幾年，高性能濾波器會(huì)以年均復(fù)合增長(zhǎng)率40%~50%的速度增長(zhǎng)(如圖1所示)。他強(qiáng)調(diào)，這里的高性能濾波器主要指體聲波(BAW)和溫度補(bǔ)償聲表面波(TC-SAW)這兩種濾波器。

圖1：LTE手機(jī)中的假設(shè)RF含量。

其實(shí)不同類型的手機(jī)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(jī)時(shí)代，只需要普通的SAW濾波器就足夠了；就算是3G手機(jī)時(shí)代，對(duì)BAW濾波器和 TC-SAW濾波器的需求也不大。但是到了4G時(shí)代，一款智能手機(jī)必須要對(duì)多個(gè)頻段的2G、3G和4G無(wú)線接入方式的發(fā)送和接收路徑進(jìn)行濾波，同時(shí)還要對(duì) WiFi、藍(lán)牙和GPS接收器等的接收路徑進(jìn)行濾波，而高端智能手機(jī)可能需要用到濾波器的地方會(huì)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(lái)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)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(yīng)用。另外它也易受溫 度變化的影響。高于1.5GHz時(shí)，TC-SAW和BAW濾波器則更具性能優(yōu)勢(shì)。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常苛刻的 3G和4G應(yīng)用。還有就是即便在高寬帶設(shè)計(jì)中，BAW對(duì)溫度變化也沒(méi)有那么敏感，同時(shí)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(qiáng)，而且它為大于2GHz的LTE頻帶進(jìn)行了優(yōu)化。”江雄在演講中提到。

智能手機(jī)中的高級(jí)濾波器需求會(huì)持續(xù)增加，從圖2中我們可以看到移動(dòng)設(shè)備中的RF器件發(fā)展主要有三個(gè)趨勢(shì)：一是功率放大器市 場(chǎng)是從持平到緩慢下降，江雄認(rèn)為這主要是因?yàn)閷拵Х糯笃鞯膽?yīng)用造成的；二是CMOS開(kāi)關(guān)和調(diào)諧元件會(huì)穩(wěn)步增長(zhǎng)，調(diào)諧元件目前很多手機(jī)沒(méi)有，但以后的手機(jī)基 本都會(huì)具備；三是濾波器的增長(zhǎng)是非常迅速的。他認(rèn)為這后面的原因比較多，但最主要的是頻帶擴(kuò)散、載波聚合和分集接收/WiFi。

圖2：移動(dòng)設(shè)備RF TAM收入預(yù)測(cè)。

對(duì)于在4G時(shí)代，為什么需要采用載波聚合技術(shù)，江雄是這樣解釋的，“LTE-Advanced在低移動(dòng)性下峰值速率達(dá)到1Gbps，高移動(dòng)性下峰值速率達(dá)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(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，頻譜資源相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較緊的，每個(gè)運(yùn)營(yíng)商分到的頻譜資源不多，特別是 連續(xù)的頻譜資源時(shí)非常有限的。為了解決這個(gè)問(wèn)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(shí)現(xiàn)方式，一是連續(xù)載波聚合，將相鄰的數(shù)個(gè)較小的載波整合為一個(gè)較大的載波；另一個(gè)是非連續(xù)載波聚合，就是將離散的多載波聚合起來(lái)，當(dāng)作一個(gè)較寬的頻帶使用，通過(guò)統(tǒng)一的基帶處理實(shí)現(xiàn)離散頻帶的同時(shí)傳輸。

其實(shí)濾波器技術(shù)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(jiān)固，也很耐用；后來(lái)日本的村田將它做成了塑料封裝。 再后來(lái)發(fā)展成現(xiàn)在的WLP封裝。這種晶圓級(jí)的封裝是以BGA技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)和提高的CSP。有人又將WLP稱為圓片級(jí)－芯片尺寸封裝。圓片級(jí) 封裝技術(shù)以圓片為加工對(duì)象，在圓片上同時(shí)對(duì)眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測(cè)試，最后切割成單個(gè)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(jī)廠商對(duì)成本都比較敏感，一般都會(huì)盡可能降低制造成本。同樣，如果濾 波器的成本過(guò)高，肯定會(huì)提高手機(jī)廠商的成本。而在整個(gè)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(shí)濾波器里 面部分的成本并不高，最高的部分在于封裝，對(duì)于陶瓷封裝來(lái)說(shuō)，封裝的成本占整個(gè)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(lái)了。”

“這是一種顛覆性的技術(shù)。”他抑制不住自己的興奮。說(shuō)到TriQuint在中國(guó)市場(chǎng)上的表現(xiàn)，他自豪地表示：“目前中國(guó)市面上能見(jiàn)到的LTE手機(jī)，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(zhǎng)最快的濾波器制造商。”

射頻功率放大器的不同工藝對(duì)比

圖3中的左側(cè)部分顯示了一些不同工藝的功率放大器市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。圖中主要說(shuō)明了GaAs HBT、GaAs E-pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS等目前市場(chǎng)上所占比例比較多的幾種功率放大器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。江雄認(rèn)為在手機(jī)端GaAs技術(shù)在現(xiàn)在和未來(lái)幾年都將是市場(chǎng)中主要的功率放大器技術(shù)。 他不否認(rèn)CMOS技術(shù)一直都在追趕的事實(shí)，不過(guò)還是覺(jué)得CMOS技術(shù)在現(xiàn)階段不是最好的選擇，理由是GaAs技術(shù)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(huì)讓這些優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖3：RF頻率的升高推動(dòng)了濾波器技術(shù)的發(fā)展。

載波聚合、多頻帶和嚴(yán)格的系統(tǒng)指標(biāo)將會(huì)持續(xù)推動(dòng)射頻前端的集成趨勢(shì)。提高集成度可以克服LTE RF的挑戰(zhàn)。TriQuint也推出過(guò)不少集成化的產(chǎn)品。但說(shuō)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(gè)高度集成的射頻前端，基本 整合了調(diào)制解調(diào)器和天線之間的所有基本組件，包括：集成天線開(kāi)關(guān)的射頻功率放大器、無(wú)線電收發(fā)器、天線匹配調(diào)諧器和包絡(luò)功率追蹤器。使用該方案能夠簡(jiǎn)化和 解決蜂窩前端面臨的眾多復(fù)雜挑戰(zhàn)。這個(gè)解決方案是基于SOI CMOS工藝的，其實(shí)到目前為止它的性能指標(biāo)還是沒(méi)辦法跟GaAs技術(shù)相比。江雄表示，GaAs在性能上有更好的優(yōu)勢(shì)，如果同樣是使用GaAs技術(shù)的話， 效果可以有60%的提升。他同時(shí)還指出了CMOS技術(shù)一個(gè)比較很大的“痛點(diǎn)”，那就是成本較高，利潤(rùn)很不理想。

圖4：不同工藝的功率放大器市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。

與TriQuint重點(diǎn)關(guān)注手機(jī)端的射頻技術(shù)不同，飛思卡爾的主要關(guān)注點(diǎn)在基站等 無(wú)線通信等領(lǐng)域的射頻技術(shù)。飛思卡爾中國(guó)區(qū)射頻資深應(yīng)用經(jīng)理狄松則表示，射頻功率放大器的應(yīng)用場(chǎng)合很多，有無(wú)線通信、民用雷達(dá)、廣播、醫(yī)療、加熱和激光應(yīng) 用等領(lǐng)域。在他看來(lái)，目前總的市場(chǎng)上的功率放大器還是以基于Si工藝的成熟LDMOS技術(shù)為主，占有率在70%以上。在無(wú)線通訊領(lǐng)域，得益于LDMOS優(yōu) 秀的性價(jià)比，LDMOS的市場(chǎng)占有率應(yīng)該在90%以上。

他認(rèn)為，從性能來(lái)說(shuō)，GaAs和GaN可以應(yīng)用在高頻段場(chǎng)合而維持著 不錯(cuò)的效率。但GaAs由于漏極電壓的限制，輸出的功率能力相對(duì)來(lái)說(shuō)較低; 而對(duì)于GaN來(lái)說(shuō)，由于材料和加工工藝的復(fù)雜性，相對(duì)于其他工藝的器件來(lái)說(shuō)，成本上相對(duì)較高，另外大規(guī)模供貨相對(duì)于LDMOS來(lái)說(shuō)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。而GeSi的 成本較低，但只適合應(yīng)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(gè)世紀(jì)90年代成功商用以來(lái)，工 藝制造技術(shù)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(wú)線通訊的應(yīng)用頻段(例如2GHz左右或以下的頻段)，相對(duì)于GaN來(lái)說(shuō)沒(méi)有明顯的劣勢(shì)，而在成本上相對(duì)GaAs和GaN來(lái)說(shuō)還有一定的優(yōu)勢(shì)，綜合來(lái) 說(shuō)LDMOS功率管性價(jià)比較高。從另外一方面來(lái)說(shuō)，由于器件工藝的成熟和系統(tǒng)應(yīng)用層面的不斷進(jìn)步，LDMOS的商用成熟度也是最高的。同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)在的各個(gè) LDMOS廠家包括Freescale在內(nèi)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(nèi)匹配技術(shù)和集成等等)，LDMOS器件性能也會(huì)持續(xù) 不斷提高。

而GaN晶體管首次出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，最近幾年才開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。GaN的普及在于其高電流和高電壓性，這 使得它在微波應(yīng)用和功率切換上極具價(jià)值。GaN技術(shù)在性能上優(yōu)于其他射頻技術(shù)，這是因?yàn)樵诮o定頻率下，GaN可以同時(shí)提供最高的功率、增益和效率組合，還 因?yàn)镚aN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(dǎo)體材料相比，GaN是相對(duì)較新的技術(shù)，但是對(duì)于遠(yuǎn)距離信號(hào)傳送或高端功率級(jí)別等(例如雷達(dá)、基站收發(fā)臺(tái)、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)等)高射頻和高功率應(yīng)用，GaN已經(jīng)成為優(yōu)先選擇。這一點(diǎn)江雄表示同意，不過(guò)他還是覺(jué)得在手機(jī)端使用GaN技術(shù)目前來(lái)說(shuō)還顯得有點(diǎn)奢侈。

在狄松看來(lái)，“未來(lái)幾年，我們預(yù)計(jì)LDMOS還將繼續(xù)占領(lǐng)市場(chǎng)主流。但我們同時(shí)看到，在一些高頻段應(yīng)用領(lǐng)域(比方說(shuō)3.5GHz或更高頻段)，由于GaN的性能優(yōu)勢(shì)，對(duì)于效率要求較高的項(xiàng)目，GaN的方案會(huì)被應(yīng)用在其中進(jìn)行補(bǔ)充。”

另外，他還認(rèn)為隨著5G的推出和標(biāo)準(zhǔn)的逐步明確，各個(gè)器件供應(yīng)商會(huì)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(huì)采用GaAs，GaN或更新的技術(shù)材料器件。對(duì)此，他覺(jué)得主要原因是因?yàn)橛糜谑謾C(jī)上的射頻功率放大器輸出功率較小，相對(duì)基站功放來(lái)說(shuō)，單芯片比較容 易滿足多頻段和多制式的要求。

小結(jié)

隨著LTE的出現(xiàn)，智能手機(jī)需要支持的頻段越來(lái)越多 ，給手機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的難度，需要的射頻器件也變得越多。這個(gè)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(lái)哪種射頻技術(shù)最合適，還需要市場(chǎng)的檢驗(yàn)，就目前來(lái)說(shuō)低成本的射頻技術(shù)更加受手機(jī)廠商青睞。