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5G发展推动射频技术革命
2017-08-04           来源: 【字体:   打印

随着智能手机屏幕、电池容量的增大,加上智能手机内部功能组件的增多,PCB区域已成为移动终端内部寸土寸金的竞争地带,它们都在挤压着射频前端的物理空间,加上移动通信技术的发展,给射频前端的设计复杂程度和技术难度带来了极大的挑战。

研究机构YoleDeveloppement的最新报告指出,随着5G技术的日益成熟,未来射频功率放大器(RFPA)市场将出现显著成长,但传统的LDMOS制程将逐渐被新兴的氮化镓(GaN)取代,砷化镓(GaAs)市场占比则相对稳定。展望未来,采用GaN制程的RFPA将成为输出功率3W以上的RFPA所采用的主流制程技术,LDMOS制程的市场份额则会明显萎缩。

5G下的射频前端

回顾1G4G的发展历程,无线网络的上下行速度在不断加快,设备的射频也在逐步演进。到了4G时代,由于多模多频的需求,射频前端的复杂度已经大幅增加,面对即将到来的5G时代,这个挑战更是空前的。因为从4G5G,无线传输速度跨越式提升。

根据无线通信的相关理论,这样的速度提升可以通过增加频谱利用率或者频谱带宽来实现。但从目前的无线应用现状来看,由于常用的5GHz以下频段已经非常拥挤。为了获取频谱资源,业界只有将目光投向了更高频率的毫米波。解决了频段问题,射频也要齐头并进。

在手机中,2G3G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2G3G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被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。

5GRF提出了难题

如今的智能手机,特别是高端旗舰手机,打电话不仅要全网通,还要支持更多的频段,例如全球全网通。除了打电话,还要上网浏览网页、上传下载网速也要快。这些需求的扩大,越来越考验射频前端技术的复杂程度,RF在当下和未来也面临着诸多新的技术挑战。

由于ITU5G制定了最高50Gbps的下行速率标准,那么相较于4G中最高支持520MHz的载波聚合,进入5G时代,载波聚合的数量可能会高达32或者64。对于射频厂商来说,就是需要解决串扰问题。这就给滤波器带来新的需求。除了滤波器外,这种多载波聚合还会对PA和开关器件的线性度提出更高的需求。更重要的是,全网通手机需要支持的频段越来越多,同时,多载波聚合组合数也在增加,对于射频前端的技术挑战性更大。

高频率对滤波器的转变也是一个挑战。在4G以前,由于频率相对较低,SAW滤波器已经能够满足设备的需求。但跨入了5G高频时代,SAW的局限性就凸显。在高频仍然保持较高Q值的BAW滤波器就成了业界的新宠。

5G引致PA的转变。在5G毫米波时代,高频段让传统PALDMOS工艺捉襟见肘,但天生的性能缺陷让其在未来的高频应用中优势尽失,基站亟须高功率密度、高运行电压、高频率和高带宽的新工艺产品,于是拥有材料性能优势的氮化镓就成为业界追逐的新爆发点。而5G的高频特性,使得信号很容易被阻碍,因此使用微基站来进行信号覆盖,就成为业界的共识。氮化镓PA恰好也能完美契合微基站的需求。

目前,射频器件中的功率放大器主要采用基于硅的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术。但是硅基技术在高频应用领域存在局限性:LDMOS功率放大器的带宽会随着频率的增加而大幅减少,LDMOS仅在不超过约3.5GHz的频率范围内有效。随着通信频段向高频迁移,基站和通信设备需要支持高频性能的功率放大器。

如今,GaN是有可能满足这些要求的唯一普及的技术:GaN功率放大器已经能处理50GHz或以上的毫米波频率。另外,GaN功率放大器支持更高的带宽,即使在较高的频率也是如此。虽然目前从性价比考虑,LDMOS仍然是中低端频率的主流,但是在10GHz以上的频段,GaN的优势非常大。5G时代GaN功率放大器将成为超高频通信领域的首选。

欧美厂商垄断市场

通常情况下,一部手机主板使用的射频芯片占整个线路面板的30%~40%。据悉,一部iPhone7仅射频芯片的成本就高达24美元,有消息称苹果今年每部手机在射频芯片上的投入将历史性地超过30美元。随着智能手机迭代加快,射频芯片也将迎来一波高峰。

目前,手机中的核心器件大多已实现了国产化,唯独射频器件仍在艰难前行。据悉,全球约95%的市场被控制在欧美厂商手中,甚至没有一家亚洲厂商进入顶尖行列。伴随着移动通信的跨越式发展,中国已经形成了全球规模最大、最有活力的消费电子市场,在这片沃土中不仅孕育出了华为海思、紫光展锐等优秀的手机处理器平台方案厂商,也涌现出一批优秀的射频前端芯片企业,他们在“依靠成本优势从低端产品切入,迅速拓展高端产品线”的策略下不断发展壮大,在残酷的市场寻找自己的竞争优势。但是,目前国内大部分SAW滤波器厂商仍停留在公频波段(较低频率,低于1GHz)的产品生产中。而对于更高的射频工作频率(如目前LTE波段覆盖的高于2GHz频段),对工艺有着更高的技术要求,国内暂时无法追赶。

BAW领域国内更是几近一片空白,所以在未来的5G时代,射频长时间保持对国外的依赖是一个必然的现象。在射频领域,中国企业依然还有很长的一段路要走。

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