手機射頻前端技術發(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《手機射頻前端模塊和組件-2017版》,到2022年射頻前端(FEM)市場將達到227億美元,復合增長率達到14%。隨著4G特別是未來5G的發(fā)展,手機射頻前端器件需求量增長,變得越來越重要,在手機所占的成本也越來越高。

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手機射頻前端主要包括功率放大器(Power Amplifier)、天線開關(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,由于手機設計的空間有限,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。比如PA與不同頻段開關及濾波器的集成,以及不同頻率的PA集成。同時,為了進一步提高數(shù)據(jù)吞吐量,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、載波聚合和包絡(ET)技術的更廣泛應用。下面分別介紹各類主要器件。

1、功率放大器(PA)

PA直接決定了手機無線通信的距離、信號質量,甚至待機時間,是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面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多模多頻手機所需的PA芯片增至5-7顆,StrategyAnalytics預測稱5G時代手機內(nèi)的PA或多達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,對PA線性度高Q值得要求,會進一步依賴砷化鎵PA。同時,據(jù)Qorvo預測,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市場成為主力。

射頻前端功能組件圍繞PA芯片設計、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)議的復雜化及射頻前端芯片設計的不斷演進, PA設計廠商往往將開關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)是目前手機應用的主流濾波器。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。隨著技術的演進, 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,也會考慮與開關的集成,如圖所示。

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3、天線/開關(Antenna/Switch)

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

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

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