5G杀到！RF前端需要怎样的工艺和技术？

本文摘要：RF器件和工艺技术的市场正在加剧，尤其是对于智能手机中用于的两个关键组件——RF电源器件和天线调谐器。RF器件制造商及其代工合作伙伴之后发售基于RFSOI工艺技术的传统RF电源芯片和调谐器，用作当今的4G无线网络。 最近，GlobalFoundries为未来的5G网络发售了45nmRFSOI工艺。RFSOI是RF版本的绝缘体上硅（SOI）技术，利用内置隔绝的高电阻率衬底。

RF器件和工艺技术的市场正在加剧，尤其是对于智能手机中用于的两个关键组件——RF电源器件和天线调谐器。RF器件制造商及其代工合作伙伴之后发售基于RFSOI工艺技术的传统RF电源芯片和调谐器，用作当今的4G无线网络。

最近，GlobalFoundries为未来的5G网络发售了45nmRFSOI工艺。RFSOI是RF版本的绝缘体上硅（SOI）技术，利用内置隔绝的高电阻率衬底。为了超越市场环境，一家无晶圆厂IC设计公司CavendishKinetics正在发售基于一种替代技术——RFMEMS的新一代RF产品和天线调谐器。

RF电源和调谐器是手机RF前端模块中的关键组件之一。RF前端将发送到和接管功能构建到系统中，RF电源对信号展开路由。调谐器协助天线调整到给定频段。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。

CavendishKinetics总裁兼首席执行官PaulDalSanto回应：“几年前，RF是一项非常非常简单的设计。但事情现在早已大大转变。首先，RF前端必需可以处置十分长的频率范围，从600MHz至3GHz。

使用先进设备的信号技术和5G技术，频率范围将超过5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带给了难以置信的挑战。”考虑到这些挑战，手机OEM厂商必需考虑到自由选择一些新的组件。

具体来说，对于RF电源和天线调谐器，可以归结两种技术——基于RFSOI的器件和RFMEMS。RFSOI是现有技术。基于RFSOI的器件能力较难，但它们开始遇上一些技术问题。除此之外，市场还不存在价格压力，随着器件从200mm迁入到300mm晶圆厂，问题还不会经常出现。

相比之下，RFMEMS有一些有意思的特性，并在某些领域获得了进展。事实上，CavendishKinetics公司回应，其基于RFMEMS的天线调谐器正在被三星和其他OEM拒绝接受。

StrategyAnalytics的分析师ChrisTaylor说道：“接触式RFMEMS获取非常低的导通电阻，从而减少插入损耗。但RFMEMS没生产记录，高容量无线系统OEM厂商将会对新技术和小型供应商作出巨大贡献。

当然，RFMEMS作为替代品，价格必需有竞争力，但主要OEM厂商想可靠性获得检验的产品和可信的供应来源。”RF前端不过，在智能手机（RF电源，调谐器，和其他组件）的混合商业环境中，RF前端市场有一点注目。根据PacificCrestSecurities的数据，智能手机出货量预计将在2017年快速增长1％，而2016年则快速增长了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101亿美元跃居至2022年的227亿美元。据StrategyAnalytics分析，RF电源器件市场在2016年超过了17亿美元。随着OEM厂商之后在智能手机中减少更好RF内容，RF市场正在大大快速增长。

StrategyAnalytics的Taylor说道：“多频段LTE也正在向下层器件伸延，电源内容正在减少。”在改向4G或长年演变（LTE）的过程中，每台手机的RF电源器件数量都有所增加。Taylor说道：“我们每年都在谈论大量的单元，大多数但并非全部（RF电源）都会转入手机，其中现在绝大多数是SOI。RFMEMS依然是新兴市场，相对于RFSOI电源来说微不足道。

”尽管RF电源的销售数量相当大，但是市场竞争白热化，价格压力较小。Taylor回应，这些器件的平均值销售价格（ASP）为10－20美分。同时，在一个非常简单的系统中，RF前端由多个组件构成——功率放大器、低噪声放大器（LNA）、滤波器、以及RF电源。

图1：非常简单的前端模块。（来源：Globalfoundries，“用于RFSOI设计下一代蜂窝和Wi－Fi电源”，2016年5月）GlobalFoundries的技术人员RandyWolf在最近的一个演说中说道：“功率放大器的主要目的是保证有充足的“动力”可以让您的信号或信息抵达目的地。”LNA缩放来自天线的小信号。RF电源将信号从一个组件路由到另一个组件。

Wolf说道：“（滤波器）可避免一切多余信号转入。”在手机中，2G和3G无线网络的RF功能非常简单。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，而且还配备了4G频段。除此之外，移动运营商早已部署了一种称作载波单体的技术。

载波单体将多个信道或分量载波人组到一个大数据管道中，可以在无线网络中构建更大的比特率和更加慢的数据速率。为了处置频段和载波单体，OEM厂商必须简单的RF前端模块。今天的模块可以构建两个或多个多模、多频带功率放大器，以及多个电源和滤波器。

Qorvo移动战略营销经理AbhiroopDutta回应：“这各不相同使用的RF架构。PA的数量由手机正在传输速率的区域频带要求。通过单个SKU在全球范围内应付全球多地区或全球蜂窝市场的典型“全球通”手机，频段覆盖面普遍。

对于这种手机的典型RF前端构建模块的构建，一个自由选择是用于具备分频带模块的RF前端，以解决问题低、中、低频带上的有所不同拒绝。”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回应：“一个例子是针对中国国内市场的手机。在这种情况下，RF前端必须反对该地区的频段。”图2：4G前端（来源：GlobalFoundries，“用于RFSOI设计下一代蜂窝和Wi－Fi电源”，2016年5月）根据CavendishKinetics的理论，LTE手机还有两种天线，主集天线和冗余天线。主集天线用作升空和接管功能，冗余天线提升了手机的上行数据速率。

实际操作中，信号抵达主集天线。然后移动到天线调谐器，容许系统调整到任何频带。

然后，信号转入一系列RF电源。GlobalFoundries的Wolf说道：“它切换到您要用于的限于频段，GSM、3G、或4G。

”信号从这里转入滤波器，其次是功率放大器，最后抵达接收器。考虑到这种复杂性，手机OEM面对一些挑战。功耗和尺寸至关重要。Wolf说道：“由于这种复杂性，您的信号在前端受到更加多损失，这对您的接收机的总体噪声系数造成了负面影响。

”似乎，RF电源在解决问题这个问题方面起着了关键作用。总体而言，智能手机有可能包括十余个RF电源器件。基本的RF电源使用单刀单抛掷（SPST）配备。这是一个非常简单的on－off电源。

今天，OEM们用于更加简单的电源配备。Ron＊Coff是RF电源的关键指标。根据PeregrineSemiconductor的理论：“Ron＊Coff是无线电信号通过电源正处于“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“重开”状态下通过电容器的外泄比率（Coff，或变频器电容）”总而言之，OEM厂商必须没插入损耗以及具备较好隔绝的RF电源。

插入损耗牵涉到信号功率的损失。如果电源没较好的隔绝，系统可能会遇上阻碍。Qorvo的Dutta回应：“总的来说，RF前端面对的挑战是反对日益增长的性能需求，这与大大发展的标准和减少频带覆盖范围相符。同时还要考虑到增大RF器件PCB的尺寸，因为手机增厚了。

插入损耗、天线功率，以及隔绝等关键指标依然推展RF产品解决方案的大大发展的驱动力。

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