手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2017-04-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

2015年,全球移動(dòng)終端射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約有110 億美元。根據(jù)Yole報(bào)告《手機(jī)射頻前端模塊和組件-2017版》,到2022年射頻前端(FEM)市場(chǎng)將達(dá)到227億美元,復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到14%。隨著4G特別是未來(lái)5G的發(fā)展,手機(jī)射頻前端器件需求量增長(zhǎng),變得越來(lái)越重要,在手機(jī)所占的成本也越來(lái)越高。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)HFSS培訓(xùn)的效果圖片1

手機(jī)射頻前端主要包括功率放大器(Power Amplifier)、天線開(kāi)關(guān)(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(jī)射頻系統(tǒng)。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)HFSS培訓(xùn)的效果圖片2

這一塊市場(chǎng)的全球主要參與者包括Skyworks、Qorvo、Avago、TDK、Murata等,本文不從市場(chǎng)角度去探討,而主要從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的角度來(lái)做介紹。從總的趨勢(shì)來(lái)說(shuō),4G特別是5G的發(fā)展,帶來(lái)了更多的頻段和制式,由于手機(jī)設(shè)計(jì)的空間有限,需要盡可能的集成,同時(shí)要滿足性能的需求,也因此帶來(lái)了工藝的改進(jìn)。比如PA與不同頻段開(kāi)關(guān)及濾波器的集成,以及不同頻率的PA集成。同時(shí),為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)吞吐量,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、載波聚合和包絡(luò)(ET)技術(shù)的更廣泛應(yīng)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(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量,甚至待機(jī)時(shí)間,是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G前向兼容,以及由此帶來(lái)的頻段的增加而增加,以PA模組為例,4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆,StrategyAnalytics預(yù)測(cè)稱5G時(shí)代手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。

就工藝材料來(lái)說(shuō),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(chǎng)。4G特別是例如高通等LTE cat16,4x20MHZ的載波聚合技術(shù),對(duì)PA線性度高Q值得要求,會(huì)進(jìn)一步依賴砷化鎵PA。同時(shí),據(jù)Qorvo預(yù)測(cè),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(jī)市場(chǎng)成為主力。

射頻前端功能組件圍繞PA芯片設(shè)計(jì)、集成和演化,形成獨(dú)立于主芯片的前端芯片組。隨著無(wú)線通訊協(xié)議的復(fù)雜化及射頻前端芯片設(shè)計(jì)的不斷演進(jìn), PA設(shè)計(jì)廠商往往將開(kāi)關(guān)或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個(gè)芯片封裝中,形成多種功能組合。根據(jù)實(shí)際情況,TxM(PA+Switch)、PAD(PA+ Duplexer)、 MMPA(多模多頻PA)等多種復(fù)合功能的PA芯片類型。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)ansys hfss圖片3

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)ansys hfss圖片4

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)ansys hfss圖片5

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(jī)應(yīng)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。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)ansys hfss圖片6

對(duì)SAW來(lái)說(shuō),技術(shù)趨勢(shì)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(jí)封裝)、WLCSP(Wafer Level Chip ScalePackaging)技術(shù)正在使用,同時(shí)更高通帶率、High isolation,High selectivity以及更低價(jià)格。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)HFSS分析案例圖片7

與 SAW 相比,BAW性能更好,成本也更高,但是當(dāng)頻段越來(lái)越多,甚至開(kāi)始使用載波聚合的時(shí)候,就必須得用BAW技術(shù)才能解決頻段間的相互干擾問(wèn)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(shù)的演進(jìn), BAW可能會(huì)逐步替代SAW。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)HFSS分析案例圖片8

從集成角度,濾波器/雙工器除了與PA集成外,也會(huì)考慮與開(kāi)關(guān)的集成,如圖所示。

手機(jī)射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)HFSS分析案例圖片9

3、天線/開(kāi)關(guān)(Antenna/Switch)

天線是在手機(jī)射頻前端方面,我國(guó)具有最大自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)域。MIMO技術(shù)的應(yīng)用普及為天線帶來(lái)巨大增量市場(chǎng),預(yù)計(jì)到2020年,MIMO64x8將成為標(biāo)準(zhǔn)配置,即基站端采用64根天線,手機(jī)采用8根天線。目前市場(chǎng)上多數(shù)手機(jī)僅僅支持MIMO 2x2技術(shù),手機(jī)天線數(shù)量需要增3倍。5G將引入高頻率頻段,天線的設(shè)計(jì)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(shù)將是5G天線的核心技術(shù)。

在調(diào)諧及開(kāi)關(guān)方面,需要特別強(qiáng)調(diào)的是MEMS開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS調(diào)諧及開(kāi)關(guān)技術(shù),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(jī)采用,比如2014年發(fā)布的中興手機(jī)。

開(kāi)放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才