手机射频前端技术发展趋势

2017-04-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

2015年,全球移动终端射频器件市场规模约有110 亿美元。根据Yole报告《手机射频前端模块和组件-2017版》,到2022年射频前端(FEM)市场将达到227亿美元,复合增长率达到14%。随着4G特别是未来5G的发展,手机射频前端器件需求量增长,变得越来越重要,在手机所占的成本也越来越高。

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手机射频前端主要包括功率放大器(Power Amplifier)、天线开关(Antenna Switch)、滤波器(Filter)/双工器(Duplexer)、低噪声放大器(LNA)等器件,再加上基带芯片组成了手机射频系统。

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这一块市场的全球主要参与者包括Skyworks、Qorvo、Avago、TDK、Murata等,本文不从市场角度去探讨,而主要从技术发展趋势的角度来做介绍。从总的趋势来说,4G特别是5G的发展,带来了更多的频段和制式,由于手机设计的空间有限,需要尽可能的集成,同时要满足性能的需求,也因此带来了工艺的改进。比如PA与不同频段开关及滤波器的集成,以及不同频率的PA集成。同时,为了进一步提高数据吞吐量,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、载波聚合和包络(ET)技术的更广泛应用。下面分别介绍各类主要器件。

1、功率放大器(PA)

PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面PA的数量随着2G、3G、4G、5G前向兼容,以及由此带来的频段的增加而增加,以PA模组为例,4G多模多频手机所需的PA芯片增至5-7颗,StrategyAnalytics预测称5G时代手机内的PA或多达16颗之多。

就工艺材料来说,目前砷化镓PA是主流,CMOS PA由于参数性能的影响,只用于低端市场。4G特别是例如高通等LTE cat16,4x20MHZ的载波聚合技术,对PA线性度高Q值得要求,会进一步依赖砷化镓PA。同时,据Qorvo预测,随着5G的普及, 8GHz以下砷化镓PA仍是主流,但8GHz以上氮化镓有望在手机市场成为主力。

射频前端功能组件围绕PA芯片设计、集成和演化,形成独立于主芯片的前端芯片组。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进, PA设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中,形成多种功能组合。根据实际情况,TxM(PA+Switch)、PAD(PA+ Duplexer)、 MMPA(多模多频PA)等多种复合功能的PA芯片类型。

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2、滤波器(Filter)/双工器(Duplexer)

RF滤波器包括了SAW(声表面滤波器)、BAW(体声波滤波器)、MEMS滤波器、IPD(Integrated Passive Devices)等,而双工器是包含Rx和Tx滤波器。SAW、BAW滤波器的性能(插入损耗低、Q 值高)是目前手机应用的主流滤波器。SAW 使用上限频率为2.5GHz~3GHz,BAW使用频率在 2.0GHz 以上。

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对SAW来说,技术趋势是小型片式化、高频宽带化、降低插入损耗。采用更小尺寸,包括倒装(flip chip packaging)和WLP(晶圆级封装)、WLCSP(Wafer Level Chip ScalePackaging)技术正在使用,同时更高通带率、High isolation,High selectivity以及更低价格。

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与 SAW 相比,BAW性能更好,成本也更高,但是当频段越来越多,甚至开始使用载波聚合的时候,就必须得用BAW技术才能解决频段间的相互干扰问题。BAW所需的制造工艺步骤是 SAW 的10倍,但因它们是在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的 BAW 器件也多了约4倍。即便如此,BAW的成本仍高于 SAW。随着技术的演进, BAW可能会逐步替代SAW。

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从集成角度,滤波器/双工器除了与PA集成外,也会考虑与开关的集成,如图所示。

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3、天线/开关(Antenna/Switch)

天线是在手机射频前端方面,我国具有最大自主知识产权的领域。MIMO技术的应用普及为天线带来巨大增量市场,预计到2020年,MIMO64x8将成为标准配置,即基站端采用64根天线,手机采用8根天线。目前市场上多数手机仅仅支持MIMO 2x2技术,手机天线数量需要增3倍。5G将引入高频率频段,天线的设计方案将由现有的单体天线改为阵列天线,新型磁性材料及LTCC集成技术将是5G天线的核心技术。

在调谐及开关方面,需要特别强调的是MEMS开关的应用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS调谐及开关技术,其第一代射频MEMS天线调谐器产品,已经被各种智能手机采用,比如2014年发布的中兴手机。

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