5G来临RF前端需要怎样的工艺和技术
（文章来源：电子工程网）
rf器件和工艺技术的市场正在升温，特别是对于智能手机中使用的两个关键组件——rf开关器件和天线调谐器。rf器件制造商及其代工合作伙伴继续推出基于rf soi工艺技术的传统rf开关芯片和调谐器，用于当今的4g无线网络。最近，globalfoundries为未来的5g网络推出了45nm rf soi工艺。rf soi是rf版本的绝缘体上硅（soi）技术，利用内置隔离的高电阻率衬底。
为了打破市场环境，一家无晶圆厂ic设计公司cavendish kinetics正在推出基于一种替代技术——rf mems的新一代rf产品和天线调谐器。rf开关和调谐器是手机rf前端模块中的关键组件之一。rf前端将发送和接收功能集成到系统中，rf开关对信号进行路由。调谐器帮助天线调整到任意频段。
无论哪种器件和技术类型，当今rf市场的挑战都令人望而生畏。cavendish kinetics总裁兼首席执行官paul dal santo表示：“几年前，rf是一项相当简单的设计。但事情现在已经大大改变。首先，rf前端必须可以处理非常宽的频率范围，从600 mhz至3 ghz。采用先进的信号技术和5g技术，频率范围将达到5ghz至60ghz。这给前端rf设计师带来了难以置信的挑战。”
考虑到这些挑战，手机oem厂商必须考虑选择一些新的组件。具体来说，对于rf开关和天线调谐器，可以归结为两种技术——基于rf soi的器件和rf mems。rf soi是现有技术。基于rf soi的器件能力尚可，但它们开始遇到一些技术问题。除此之外，市场还存在价格压力，随着器件从200mm迁移到300mm晶圆厂，问题还会出现。
相比之下，rf mems有一些有趣的特性，并在某些领域取得了进展。事实上，cavendish kinetics公司表示，其基于rf mems的天线调谐器正在被三星和其他oem接受。
strategy analytics的分析师chris taylor说：“接触式rf mems提供非常低的导通电阻，从而降低插入损耗。但rf mems没有生产记录，高容量无线系统oem厂商将不会对新技术和小型供应商做出巨大贡献。当然，rf mems作为替代品，价格必须有竞争力，但主要oem厂商想要可靠性得到检验的产品和可靠的供应来源。”
不过，在智能手机（rf开关，调谐器，和其他组件）的混合商业环境中，rf前端市场值得关注。根据pacific crest securities的数据，智能手机出货量预计将在2017年增长1％，而2016年则增长了1．3％。另一方面，根据yoledéveloppement的数据，手机的rf前端模块／组件市场预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。 据strategy analytics分析，rf开关器件市场在2016年达到了17亿美元。
随着oem厂商继续在智能手机中增加更多rf内容，rf市场正在不断增长。strategy analytics的taylor说：“多频段lte也正在向下层器件延伸，开关内容正在增加。”在转向4g或长期演进（lte）的过程中，每台手机的rf开关器件数量都有所增加。taylor 说：“我们每年都在谈论大量的单元，大多数但并非全部（rf开关）都会进入手机，其中现在绝大多数是soi。rf mems仍然是新兴市场，相对于rf soi开关来说微不足道。”
尽管rf开关的出货数量很大，但是市场竞争激烈，价格压力较大。taylor 表示，这些器件的平均销售价格（asp）为10－20美分。同时，在一个简单的系统中，rf前端由多个组件组成——功率放大器、低噪声放大器（lna）、滤波器、以及rf开关。
globalfoundries的技术人员randy wolf在最近的一个演讲中说：“功率放大器的主要目的是确保有足够的“动力”可以让您的信号或信息到达目的地。”lna放大来自天线的小信号。rf开关将信号从一个组件路由到另一个组件。wolf 说：“（滤波器）可防止一切无用信号进入。”
在手机中，2g和3g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2g和3g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。今天的模块可以集成两个或多个多模、多频带功率放大器，以及多个开关和滤波器。qorvo移动战略营销经理abhiroop dutta表示：“这取决于采用的rf架构。pa的数量由手机正在寻址的区域频带决定。通过单个sku在全球范围内应对全球多地区或全球蜂窝市场的典型“全球通”手机，频段覆盖面广泛。对于这种手机的典型rf前端集成模块的实现，一个选择是使用具有分频带模块的rf前端，以解决高、中、低频带的不同要求。”相比之下，智能手机oem厂商可能会为特定市场设计区域手机。dutta表示： “一个例子是针对中国国内市场的手机。在这种情况下，rf前端需要支持该地区的频段。”
根据cavendish kinetics的理论，lte手机还有两种天线，主集天线和分集天线。主集天线用于发射和接收功能，分集天线提高了手机的下行数据速率。实际操作中，信号到达主集天线。然后移动到天线调谐器，允许系统调整到任何频带。然后，信号进入一系列rf开关。globalfoundries的wolf说：“它转换到您要使用的适用频段，gsm、3g、或4g。”信号从这里进入滤波器，其次是功率放大器，最后到达接收器。
考虑到这种复杂性，手机oem面临一些挑战。功耗和尺寸至关重要。wolf说：“由于这种复杂性，您的信号在前端受到更多损失，这对您的接收机的总体噪声系数造成了负面影响。”显然，rf开关在解决这个问题方面起到了关键作用。总体而言，智能手机可能包含十余个rf开关器件。基本的rf开关采用单刀单掷（spst）配置。这是一个简单的on－off开关。
今天，oem们使用更复杂的开关配置。ron＊coff是rf开关的关键指标。根据peregrine semiconductor的理论：“ron＊coff是无线电信号通过开关处于“导通”状态（ron，或导通电阻）时产生的损耗比率，以及无线电信号在“关闭”状态下通过电容器的泄漏比率（coff，或关断电容）”
总而言之，oem厂商需要没有插入损耗以及具有良好隔离的rf开关。插入损耗涉及信号功率的损失。如果开关没有良好的隔离，系统可能会遇到干扰。qorvo的dutta表示：“总的来说，rf前端面临的挑战是支持日益增长的性能需求，这与不断发展的标准和增加频带覆盖范围相一致。同时还要考虑缩小rf器件封装的尺寸，因为手机变薄了。插入损耗、天线功率，以及隔离等关键指标仍然推动rf产品解决方案的不断发展的驱动力。”
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为了打破市场环境，一家无晶圆厂ic设计公司cavendish kinetics正在推出基于一种替代技术——rf mems的新一代rf产品和天线调谐器。rf开关和调谐器是手机rf前端模块中的关键组件之一。rf前端将发送和接收功能集成到系统中，rf开关对信号进行路由。调谐器帮助天线调整到任意频段。
无论哪种器件和技术类型，当今rf市场的挑战都令人望而生畏。cavendish kinetics总裁兼首席执行官paul dal santo表示：“几年前，rf是一项相当简单的设计。但事情现在已经大大改变。首先，rf前端必须可以处理非常宽的频率范围，从600 mhz至3 ghz。采用先进的信号技术和5g技术，频率范围将达到5ghz至60ghz。这给前端rf设计师带来了难以置信的挑战。”
考虑到这些挑战，手机oem厂商必须考虑选择一些新的组件。具体来说，对于rf开关和天线调谐器，可以归结为两种技术——基于rf soi的器件和rf mems。rf soi是现有技术。基于rf soi的器件能力尚可，但它们开始遇到一些技术问题。除此之外，市场还存在价格压力，随着器件从200mm迁移到300mm晶圆厂，问题还会出现。
相比之下，rf mems有一些有趣的特性，并在某些领域取得了进展。事实上，cavendish kinetics公司表示，其基于rf mems的天线调谐器正在被三星和其他oem接受。
strategy analytics的分析师chris taylor说：“接触式rf mems提供非常低的导通电阻，从而降低插入损耗。但rf mems没有生产记录，高容量无线系统oem厂商将不会对新技术和小型供应商做出巨大贡献。当然，rf mems作为替代品，价格必须有竞争力，但主要oem厂商想要可靠性得到检验的产品和可靠的供应来源。”
不过，在智能手机（rf开关，调谐器，和其他组件）的混合商业环境中，rf前端市场值得关注。根据pacific crest securities的数据，智能手机出货量预计将在2017年增长1％，而2016年则增长了1．3％。另一方面，根据yoledéveloppement的数据，手机的rf前端模块／组件市场预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。 据strategy analytics分析，rf开关器件市场在2016年达到了17亿美元。
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尽管rf开关的出货数量很大，但是市场竞争激烈，价格压力较大。taylor 表示，这些器件的平均销售价格（asp）为10－20美分。同时，在一个简单的系统中，rf前端由多个组件组成——功率放大器、低噪声放大器（lna）、滤波器、以及rf开关。
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