4G時(shí)代的射頻技術(shù)，誰(shuí)在留守誰(shuí)在改變？

　　從2009年12月到2014年1月，全球有101個(gè)國家/地區共264個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò )投入商業(yè)運營(yíng)。預計未來(lái)五年將有幾乎同樣多數量的LTE網(wǎng)絡(luò )投入運 營(yíng)，LTE網(wǎng)絡(luò )將會(huì )覆蓋全球64%的人口。同時(shí)，據市場(chǎng)調研公司預計，未來(lái)五年智能手機的高端市場(chǎng)會(huì )趨近飽和，年均復合增長(cháng)率會(huì )小于5%;但由于存在替換 原來(lái)功能機的需求，中低端智能手機市場(chǎng)會(huì )仍然以大于20%的速度增長(cháng);因此，智能手機總的出貨量會(huì )以約15%的速度增長(cháng)，但每個(gè)設備的RF含量會(huì )以更快的速度增長(cháng)。

　　濾波器需求增長(cháng)

　　由于4G LTE的出現，使得頻段越來(lái)越多，頻段越多就會(huì )導致智能手機的設計復雜性越來(lái)越大;加上頻譜資源是一個(gè)非常稀缺的資源，特別是在北美和歐洲地區，頻譜非常 擁擠，這樣就一定會(huì )增加濾波器的復雜性。TriQuint中國區移動(dòng)產(chǎn)品銷(xiāo)售總監江雄在9月份IIC期間的一次主題演講中表示，“LTE的采用將會(huì )推動(dòng) RF總體有效市場(chǎng)（TAM）大幅增長(cháng)。”

　　他指出，未來(lái)幾年，高性能濾波器會(huì )以年均復合增長(cháng)率40%~50%的速度增長(cháng)（如圖1所示）。他強調，這里的高性能濾波器主要指體聲波（BAW）和溫度補償聲表面波（TC-SAW）這兩種濾波器。

　　不同類(lèi)型的手機中采用的濾波器類(lèi)型和數量都是不一樣的，比如在功能機時(shí)代，只需要普通的SAW濾波器就足夠了;就算是3G手機時(shí)代，對BAW濾波器和 TC-SAW濾波器的需求也不大。但是到了4G時(shí)代，一款智能手機必須要對多個(gè)頻段的2G、3G和4G無(wú)線(xiàn)接入方式的發(fā)送和接收路徑進(jìn)行濾波，同時(shí)還要對 WiFi、藍牙和GPS接收器等的接收路徑進(jìn)行濾波，而高端智能手機可能需要用到濾波器的地方會(huì )更多。這些頻帶范圍都不相同，又不能相互干擾，這必然需要 更多的濾波器來(lái)對這些信號進(jìn)行隔離。

　　而SAW濾波器由于本身的局限性，一般只適用于1.5GHz以下的應用。另外它也易受溫 度變化的影響。高于1.5GHz時(shí)，TC-SAW和BAW濾波器則更具性能優(yōu)勢。BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小，這使得它非常適合要求非?？量痰?3G和4G應用。還有就是即便在高寬帶設計中，BAW對溫度變化也沒(méi)有那么敏感，同時(shí)它還具有極低的插入損耗和非常陡峭的濾波器邊緣。“BAW的集成化更 高、性能更好、帶寬的抑制能力更強，而且它為大于2GHz的LTE頻帶進(jìn)行了優(yōu)化。”江雄在演講中提到。

　　智能手機中的高級濾波器需求會(huì )持續增加，從圖2中我們可以看到移動(dòng)設備中的RF器件發(fā)展主要有三個(gè)趨勢：一是功率放大器市 場(chǎng)是從持平到緩慢下降，江雄認為這主要是因為寬帶放大器的應用造成的;二是CMOS開(kāi)關(guān)和調諧元件會(huì )穩步增長(cháng)，調諧元件目前很多手機沒(méi)有，但以后的手機基 本都會(huì )具備;三是濾波器的增長(cháng)是非常迅速的。他認為這后面的原因比較多，但最主要的是頻帶擴散、載波聚合和分集接收/WiFi。

　　對于在4G時(shí)代，為什么需要采用載波聚合技術(shù)，江雄是這樣解釋的，“LTE-Advanced在低移動(dòng)性下峰值速率達到1Gbps，高移動(dòng)性下峰值速率達到 100Mbps。那么為了支持這樣的峰值速率，我們需要更大的帶寬。而對運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，頻譜資源相對來(lái)說(shuō)是比較緊的，每個(gè)運營(yíng)商分到的頻譜資源不多，特別是 連續的頻譜資源時(shí)非常有限的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，LTE-Advanced就提出了載波聚合的解決方案。”

　　載波聚合目前有兩種實(shí)現方式，一是連續載波聚合，將相鄰的數個(gè)較小的載波整合為一個(gè)較大的載波;另一個(gè)是非連續載波聚合，就是將離散的多載波聚合起來(lái)，當作一個(gè)較寬的頻帶使用，通過(guò)統一的基帶處理實(shí)現離散頻帶的同時(shí)傳輸。

　　其實(shí)濾波器技術(shù)經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，據江雄回憶，十幾年前的SAW濾波器還是陶瓷封裝的，陶瓷封裝很堅固，也很耐用;后來(lái)日本的村田將它做成了塑料封裝。 再后來(lái)發(fā)展成現在的WLP封裝。這種晶圓級的封裝是以BGA技術(shù)為基礎，是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)和提高的CSP。有人又將WLP稱(chēng)為圓片級-芯片尺寸封裝。圓片級 封裝技術(shù)以圓片為加工對象，在圓片上同時(shí)對眾多芯片進(jìn)行封裝、老化、測試，最后切割成單個(gè)器件，可以直接貼裝到基板或印刷電路板上。它使封裝尺寸減小至 IC芯片的尺寸，生產(chǎn)成本大幅下降。

　　“眾所周知，智能手機廠(chǎng)商對成本都比較敏感，一般都會(huì )盡可能降低制造成本。同樣，如果濾 波器的成本過(guò)高，肯定會(huì )提高手機廠(chǎng)商的成本。而在整個(gè)濾波器的成本中，所占比重最大的可能很多人都猜不到是哪一部分。”江雄在演講中表示，“其實(shí)濾波器里 面部分的成本并不高，最高的部分在于封裝，對于陶瓷封裝來(lái)說(shuō)，封裝的成本占整個(gè)濾波器成本的50%左右，塑料封裝的成本占85%以上。而現在的WLP封裝 成本很低，使得濾波器的成本一下就降下來(lái)了。”

　　“這是一種顛覆性的技術(shù)。”他抑制不住自己的興奮。說(shuō)到TriQuint在中國市場(chǎng)上的表現，他自豪地表示：“目前中國市面上能見(jiàn)到的LTE手機，基本上都有使用我們的BAW濾波器。2014年的濾波器產(chǎn)量大于10億，是全球成長(cháng)最快的濾波器制造商。”

　　射頻功率放大器的不同工藝對比

　　載波聚合、多頻帶和嚴格的系統指標將會(huì )持續推動(dòng)射頻前端的集成趨勢，提高集成度可以克服LTE RF的挑戰。TriQuint也推出過(guò)不少集成化的產(chǎn)品。但說(shuō)到集成，不得不提高通的RF360射頻前端解決方案，該方案是一個(gè)高度集成的射頻前端，基本 整合了調制解調器和天線(xiàn)之間的所有基本組件，包括：集成天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的射頻功率放大器、無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、天線(xiàn)匹配調諧器和包絡(luò )功率追蹤器。使用該方案能夠簡(jiǎn)化和 解決蜂窩前端面臨的眾多復雜挑戰。這個(gè)解決方案是基于SOI CMOS工藝的，其實(shí)到目前為止它的性能指標還是沒(méi)辦法跟GaAs技術(shù)相比。江雄表示，GaAs在性能上有更好的優(yōu)勢，如果同樣是使用GaAs技術(shù)的話(huà)， 效果可以有60%的提升。他同時(shí)還指出了CMOS技術(shù)一個(gè)比較很大的“痛點(diǎn)”，那就是成本較高，利潤很不理想。

　　與TriQuint重點(diǎn)關(guān)注手機端的射頻技術(shù)不同，飛思卡爾的主要關(guān)注點(diǎn)在基站等 無(wú)線(xiàn)通信等領(lǐng)域的射頻技術(shù)。飛思卡爾中國區射頻資深應用經(jīng)理狄松則表示，射頻功率放大器的應用場(chǎng)合很多，有無(wú)線(xiàn)通信、民用雷達、廣播、醫療、加熱和激光應 用等領(lǐng)域。在他看來(lái)，目前總的市場(chǎng)上的功率放大器還是以基于Si工藝的成熟LDMOS技術(shù)為主，占有率在70%以上。在無(wú)線(xiàn)通訊領(lǐng)域，得益于LDMOS優(yōu) 秀的性?xún)r(jià)比，LDMOS的市場(chǎng)占有率應該在90%以上。

　　他認為，從性能來(lái)說(shuō)，GaAs和GaN可以應用在高頻段場(chǎng)合而維持著(zhù) 不錯的效率。但GaAs由于漏極電壓的限制，輸出的功率能力相對來(lái)說(shuō)較低; 而對于GaN來(lái)說(shuō)，由于材料和加工工藝的復雜性，相對于其他工藝的器件來(lái)說(shuō)，成本上相對較高，另外大規模供貨相對于LDMOS來(lái)說(shuō)沒(méi)有優(yōu)勢。而GeSi的 成本較低，但只適合應用于較小功率的放大器甚至在LNA（低噪聲放大器）中。

　　LDMOS自上個(gè)世紀90年代成功商用以來(lái)，工 藝制造技術(shù)日趨成熟、穩定。另外在產(chǎn)品性能上，LDMOS功率管在現有的3G， 4G無(wú)線(xiàn)通訊的應用頻段（例如2GHz左右或以下的頻段），相對于GaN來(lái)說(shuō)沒(méi)有明顯的劣勢，而在成本上相對GaAs和GaN來(lái)說(shuō)還有一定的優(yōu)勢，綜合來(lái) 說(shuō)LDMOS功率管性?xún)r(jià)比較高。從另外一方面來(lái)說(shuō)，由于器件工藝的成熟和系統應用層面的不斷進(jìn)步，LDMOS的商用成熟度也是最高的。同時(shí)因為現在的各個(gè) LDMOS廠(chǎng)家包括Freescale在內還在積極研發(fā)新一代高性能產(chǎn)品（包括有源Die和高效率的內匹配技術(shù)和集成等等），LDMOS器件性能也會(huì )持續 不斷提高。

　　而GaN晶體管首次出現在20世紀90年代，最近幾年才開(kāi)始商業(yè)化應用。GaN的普及在于其高電流和高電壓性，這 使得它在微波應用和功率切換上極具價(jià)值。GaN技術(shù)在性能上優(yōu)于其他射頻技術(shù)，這是因為在給定頻率下，GaN可以同時(shí)提供最高的功率、增益和效率組合，還 因為GaN可以在較高的工作電壓下工作，并且降低系統電流。

　　盡管與Si和GaAs等其他半導體材料相比，GaN是相對較新的技術(shù)，但是對于遠距離信號傳送或高端功率級別等（例如雷達、基站收發(fā)臺、衛星通信、電子戰等）高射頻和高功率應用，GaN已經(jīng)成為優(yōu)先選擇。這一點(diǎn)江雄表示同意，不過(guò)他還是覺(jué)得在手機端使用GaN技術(shù)目前來(lái)說(shuō)還顯得有點(diǎn)奢侈。

　　在狄松看來(lái)，“未來(lái)幾年，我們預計LDMOS還將繼續占領(lǐng)市場(chǎng)主流。但我們同時(shí)看到，在一些高頻段應用領(lǐng)域（比方說(shuō)3.5GHz或更高頻段），由于GaN的性能優(yōu)勢，對于效率要求較高的項目，GaN的方案會(huì )被應用在其中進(jìn)行補充。”

　　另外，他還認為隨著(zhù)5G的推出和標準的逐步明確，各個(gè)器件供應商會(huì )推出集成度較高的器件，如RFIC等。如果頻段較高，如工作在10GHz以上的頻段，功放 可能會(huì )采用GaAs，GaN或更新的技術(shù)材料器件。對此，他覺(jué)得主要原因是因為用于手機上的射頻功率放大器輸出功率較小，相對基站功放來(lái)說(shuō)，單芯片比較容 易滿(mǎn)足多頻段和多制式的要求。

　　小結

　　隨著(zhù)LTE的出現，智能手機需要支持的頻段越來(lái)越多 ，給手機的設計帶來(lái)了更大的難度，需要的射頻器件也變得越多。這個(gè)必將促使射頻廠(chǎng)商提供更多集成度更高、性能更好的產(chǎn)品。而未來(lái)哪種射頻技術(shù)最合適，還需要市場(chǎng)的檢驗，就目前來(lái)說(shuō)低成本的射頻技術(shù)更加受手機廠(chǎng)商青睞。