【導讀】5G愿景的真正實(shí)現，還需要更多創(chuàng )新。網(wǎng)絡(luò )基站和用戶(hù)設備（例如：手機） 變得越來(lái)越纖薄和小巧，能耗也變得越來(lái)越低。為了適合小尺寸設備，許多射頻應用所使用的印刷電路板（PCB）也在不斷減小尺寸。因此，射頻應用供應商必須開(kāi)發(fā)新的封裝技術(shù)，盡量減小射頻組件的占位面積。再進(jìn)一步，部分供應商開(kāi)始開(kāi)發(fā)系統級封裝辦法（SiP），以減少射頻組件的數量，盡管這種辦法將會(huì )增加封裝成本。
『這個(gè)知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識點(diǎn)，結合產(chǎn)業(yè)現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。本篇推文繼續談5G射頻~
探索射頻前端技術(shù)的不同
5G愿景的真正實(shí)現，還需要更多創(chuàng )新。網(wǎng)絡(luò )基站和用戶(hù)設備（例如：手機） 變得越來(lái)越纖薄和小巧，能耗也變得越來(lái)越低。為了適合小尺寸設備，許多射頻應用所使用的印刷電路板（PCB）也在不斷減小尺寸。因此，射頻應用供應商必須開(kāi)發(fā)新的封裝技術(shù)，盡量減小射頻組件的占位面積。再進(jìn)一步，部分供應商開(kāi)始開(kāi)發(fā)系統級封裝辦法（SiP），以減少射頻組件的數量，盡管這種辦法將會(huì )增加封裝成本。
系統級封裝辦法正在被用于射頻前端，而射頻前端包含基站與天線(xiàn)中間的所有組件。
一個(gè)典型的射頻前端由開(kāi)關(guān)、濾波器、放大器及調諧組件組成。這些技術(shù)設備的尺寸不斷減小，并且相互集成度不斷加大。結果，在手機、小蜂窩、天線(xiàn)陣列系統、Wi-Fi等5G應用中，射頻前端正在變成一個(gè)復雜的、高度集成的系統封包。
不管怎樣，5G愿景的實(shí)現都需要射頻技術(shù)和封裝技術(shù)的顛覆性創(chuàng )新。
#氮化鎵技術(shù)#
氮化鎵（GaN）是一種二進(jìn)制III/V族帶隙半導體，非常適合用于高功率、耐高溫晶體管。氮化鎵功率放大器技術(shù)的5G通信潛力才剛剛顯現。氮化鎵具有高射頻功率、低直流功耗、小尺寸及高可靠性等優(yōu)勢，讓設備制造商能夠減小基站體積。反過(guò)來(lái)，這又有助于減少5G基站信號塔上安裝的天線(xiàn)陣列系統的重量，因此可以降低安裝成本。另外，氮化鎵還能在各種毫米波頻率上，輕松支持高吞吐量和寬帶寬。
對于高功率基站應用，相比于鍺硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技術(shù)，在相同EIRP目標值下，氮化鎵技術(shù)的總功率耗散更低，如下圖所示。氮化鎵減少了整體系統的重量和復雜性，同時(shí)還仍保持較低功耗，因此更適合塔上安裝系統的設計。
氮化鎵技術(shù)最適合實(shí)現高有效等向輻射基站功率（EIRP），如下圖所示。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )定義了非常高的EIRP限值，規定對于28GHz和39GHz頻帶，每100MHz帶寬需要達到75dBm功率。因此帶來(lái)了哪些挑戰？相關(guān)設備的搭建既要滿(mǎn)足這些目標，又要將成本、尺寸、重量和功率等保持在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的預算范圍內。氮化鎵技術(shù)是關(guān)鍵；相比于其他技術(shù)，氮化鎵技術(shù)在達到以上高EIRP值時(shí)，使用的元件更少， 并且輸出功率更高。
半導體技術(shù)與EIRP需求的適應性比較
對于高功率基站應用，相比于鍺硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技術(shù)，在相同EIRP目標值下，氮化鎵技術(shù)的總功率耗散更低，如下圖所示。氮化鎵減少了整體系統的重量和復雜性，同時(shí)還仍保持較低功耗，因此更適合塔上安裝系統的設計。
氮化鎵減少了基站設計的復雜性，降低了成本
氮化鎵技術(shù)的部分重要屬性：
可靠性與結實(shí)性：氮化鎵的功率效率更高，因此降低了熱量輸出。氮化鎵的帶隙寬，能夠耐受更高的工作溫度，因此可以減少緊湊區域的冷卻需求。由于氮化鎵能夠在塔上應用（例如：天線(xiàn)陣列系統）的高溫條件下工作，因此可以不需要冷卻風(fēng)扇，以及/或者可以減少散熱器的體積。歷史上，冷卻風(fēng)扇由于其機械性質(zhì)，一直是造成外場(chǎng)故障的首要原因。大型散熱器不僅硬件本身構成重大成本，并且由于重量原因，還可能帶來(lái)額外的人力成本。使用氮化鎵可以讓人們不再使用這些高成本的散熱辦法。
低電流消耗：氮化鎵降低了工作成本，產(chǎn)生的熱量也更少。另外，低電流還有助于減少系統功耗和降低電源需求。再者，由于功耗降低，服務(wù)提供商也減少了運營(yíng)支出。
功率能力：相比于其他半導體技術(shù)，氮化鎵設備提供更高的輸出功率。市場(chǎng)的發(fā)展趨勢以及對于基站高功率輸出的需求，更加有利于氮化鎵技術(shù)的發(fā)展。
頻率帶寬：氮化鎵擁有高阻抗和低柵極電容，能夠實(shí)現更大的工作帶寬和更高的數據傳輸速度。另外，氮化鎵技術(shù)還在3GHz以上擁有良好的射頻性能，其他技術(shù)（例如：硅）在這個(gè)頻率范圍的性能卻不佳。今天氮化鎵模塊和功率放大器提供的寬帶性能，能夠支持5G前所未有的帶寬需求。
集成：5G需要體積更小的解決方案，這促使供應商將大規模、包含多個(gè)技術(shù)的離散式射頻前端，替換成單體式全面集成解決方案。氮化鎵制造商開(kāi)始抓住這個(gè)潮流，開(kāi)發(fā)那些能夠將收發(fā)鏈條整合到單一封裝的全面集成解決方案。這進(jìn)一步減少了系統的體積、重量和上市時(shí)間。
#體聲波濾波器技術(shù)#
由于新增頻帶和載波聚合，再加上蜂窩通信必須與許多其他無(wú)線(xiàn)標準共存的事實(shí)，干涉問(wèn)題比以往更加嚴重。要減少頻帶與標準之間的干涉，濾波器技術(shù)是關(guān)鍵。
表面聲波濾波器和體聲波濾波器具有占位面積小、性能優(yōu)異、經(jīng)濟適用等優(yōu)勢，在移動(dòng)設備濾波器市場(chǎng)上居于主導地位。
體聲波濾波器最適合1GHz至6GHz的頻段，表面聲波濾波器最適合1GHz以下的頻段。因此，體聲波的5G “甜蜜點(diǎn)”是低于7GHz的頻段。
體聲波和表面聲波能夠減少LTE、Wi-Fi、自動(dòng)通信以及新的7GHz以下5G頻率的干涉，同時(shí)又能滿(mǎn)足制造商嚴格的體積和性能標準。
對于智能手機設計者， 5G的推出對于電池壽命和主板空間又是一個(gè)挑戰。隨著(zhù)每代產(chǎn)品推陳出新，集成的壓力和縮小體積的壓力不斷增加。在較高頻率下工作，意味著(zhù)功率放大器效率降低，同時(shí)天線(xiàn)和線(xiàn)路的損耗增加。另外，5G手機還需要增加射頻開(kāi)關(guān)，因此帶來(lái)更多鏈路預算損失。（所謂“鏈路預算”，是指在電信系統中，從發(fā)送器經(jīng)由電纜、走線(xiàn)等直至接收器，在這一過(guò)程中產(chǎn)生的所有增益與損失的總和。）
不出意外，從4G到5G，手機里安裝的濾波器數量急劇增加，如下圖所示。載波聚合是濾波器數量增加的主要促成因素。隨著(zhù)全球載波聚合以及手機中標準和頻帶的數量越來(lái)越多，濾波器技術(shù)方興未艾。另外，在載波聚合以及手機性能優(yōu)化需求的驅使下，濾波器的復雜性也在增加。
智能手機與集成濾波器技術(shù)
體聲波技術(shù)的一項優(yōu)勢就是散熱，如下圖所示。如前所述，放大器功率的增加導致熱量的增加。如果為補償系統功率損耗或信號范圍問(wèn)題而增加放大器的功率，則發(fā)送濾波器產(chǎn)生的熱量也將增加。該熱量對濾波器的性能和工作壽命都有不利影響，并且會(huì )在衰減區域和傳輸頻帶造成頻率偏移。體聲波技術(shù)有助于減輕這一問(wèn)題，因為SMR體聲波濾波器（BAW-SMR）產(chǎn)生垂直熱通量，有助于將熱量導離設備。在高頻率下，反射器層變得更薄，這更加有助于體聲波諧振器的散熱。
SMR BAW濾波器功率處置方式
#射頻技術(shù)、封裝及設計#
射頻前端由多個(gè)半導體技術(shù)設備組成。眾多的5G應用需要五花八門(mén)的處理技術(shù)、設計技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿(mǎn)足各個(gè)獨特用例的需求。
對于5G的7GHz以下頻段，相應的射頻前端解決方案需要創(chuàng )新封裝辦法，例如，提高組件排列的緊湊度；縮短組件之間的導線(xiàn)長(cháng)度，以盡量減少損耗；采用雙面安裝；劃區屏蔽； 以及使用更高質(zhì)量的表面安裝技術(shù)組件等。
所有5G用例都需要射頻前端技術(shù)。根據射頻功能、頻帶、功率等級等性能要求，射頻半導體技術(shù)的選擇不盡相同。如下圖所示，每個(gè)射頻功能和應用分別對應多個(gè)半導體技術(shù)。
5G射頻通信技術(shù)
這些應用需要五花八門(mén)的處理技術(shù)、設計技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿(mǎn)足各個(gè)獨特用例的特定需求。
文章來(lái)源：Qorvo半導體
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