【導讀】5G愿景的真正實現，還需要更多創(chuàng)新。網絡基站和用戶設備（例如：手機） 變得越來越纖薄和小巧，能耗也變得越來越低。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發(fā)新的封裝技術，盡量減小射頻組件的占位面積。再進一步，部分供應商開始開發(fā)系統(tǒng)級封裝辦法（SiP），以減少射頻組件的數量，盡管這種辦法將會增加封裝成本。
『這個知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點，結合產業(yè)現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。本篇推文繼續(xù)談5G射頻~
探索射頻前端技術的不同
5G愿景的真正實現，還需要更多創(chuàng)新。網絡基站和用戶設備（例如：手機） 變得越來越纖薄和小巧，能耗也變得越來越低。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發(fā)新的封裝技術，盡量減小射頻組件的占位面積。再進一步，部分供應商開始開發(fā)系統(tǒng)級封裝辦法（SiP），以減少射頻組件的數量，盡管這種辦法將會增加封裝成本。
系統(tǒng)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中間的所有組件。
一個典型的射頻前端由開關、濾波器、放大器及調諧組件組成。這些技術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、天線陣列系統(tǒng)、Wi-Fi等5G應用中，射頻前端正在變成一個復雜的、高度集成的系統(tǒng)封包。
不管怎樣，5G愿景的實現都需要射頻技術和封裝技術的顛覆性創(chuàng)新。
#氮化鎵技術#
氮化鎵（GaN）是一種二進制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。反過來，這又有助于減少5G基站信號塔上安裝的天線陣列系統(tǒng)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，在相同EIRP目標值下，氮化鎵技術的總功率耗散更低，如下圖所示。氮化鎵減少了整體系統(tǒng)的重量和復雜性，同時還仍保持較低功耗，因此更適合塔上安裝系統(tǒng)的設計。
氮化鎵技術最適合實現高有效等向輻射基站功率（EIRP），如下圖所示。美國聯邦通信委員會定義了非常高的EIRP限值，規(guī)定對于28GHz和39GHz頻帶，每100MHz帶寬需要達到75dBm功率。因此帶來了哪些挑戰(zhàn)？相關設備的搭建既要滿足這些目標，又要將成本、尺寸、重量和功率等保持在移動網絡運營商的預算范圍內。氮化鎵技術是關鍵；相比于其他技術，氮化鎵技術在達到以上高EIRP值時，使用的元件更少， 并且輸出功率更高。
半導體技術與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，在相同EIRP目標值下，氮化鎵技術的總功率耗散更低，如下圖所示。氮化鎵減少了整體系統(tǒng)的重量和復雜性，同時還仍保持較低功耗，因此更適合塔上安裝系統(tǒng)的設計。
氮化鎵減少了基站設計的復雜性，降低了成本
氮化鎵技術的部分重要屬性：
可靠性與結實性：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(qū)域的冷卻需求。由于氮化鎵能夠在塔上應用（例如：天線陣列系統(tǒng)）的高溫條件下工作，因此可以不需要冷卻風扇，以及/或者可以減少散熱器的體積。歷史上，冷卻風扇由于其機械性質，一直是造成外場故障的首要原因。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，產生的熱量也更少。另外，低電流還有助于減少系統(tǒng)功耗和降低電源需求。再者，由于功耗降低，服務提供商也減少了運營支出。
功率能力：相比于其他半導體技術，氮化鎵設備提供更高的輸出功率。市場的發(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，氮化鎵技術還在3GHz以上擁有良好的射頻性能，其他技術（例如：硅）在這個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(guī)模、包含多個技術的離散式射頻前端，替換成單體式全面集成解決方案。氮化鎵制造商開始抓住這個潮流，開發(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。這進一步減少了系統(tǒng)的體積、重量和上市時間。
#體聲波濾波器技術#
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線標準共存的事實，干涉問題比以往更加嚴重。要減少頻帶與標準之間的干涉，濾波器技術是關鍵。
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、經濟適用等優(yōu)勢，在移動設備濾波器市場上居于主導地位。
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”是低于7GHz的頻段。
體聲波和表面聲波能夠減少LTE、Wi-Fi、自動通信以及新的7GHz以下5G頻率的干涉，同時又能滿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挑戰(zhàn)。隨著每代產品推陳出新，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，意味著功率放大器效率降低，同時天線和線路的損耗增加。另外，5G手機還需要增加射頻開關，因此帶來更多鏈路預算損失。（所謂“鏈路預算”，是指在電信系統(tǒng)中，從發(fā)送器經由電纜、走線等直至接收器，在這一過程中產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。隨著全球載波聚合以及手機中標準和頻帶的數量越來越多，濾波器技術方興未艾。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
體聲波技術的一項優(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(tǒng)功率損耗或信號范圍問題而增加放大器的功率，則發(fā)送濾波器產生的熱量也將增加。該熱量對濾波器的性能和工作壽命都有不利影響，并且會在衰減區(qū)域和傳輸頻帶造成頻率偏移。體聲波技術有助于減輕這一問題，因為SMR體聲波濾波器（BAW-SMR）產生垂直熱通量，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、封裝及設計#
射頻前端由多個半導體技術設備組成。眾多的5G應用需要五花八門的處理技術、設計技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿足各個獨特用例的需求。
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長度，以盡量減少損耗；采用雙面安裝；劃區(qū)屏蔽； 以及使用更高質量的表面安裝技術組件等。
所有5G用例都需要射頻前端技術。根據射頻功能、頻帶、功率等級等性能要求，射頻半導體技術的選擇不盡相同。如下圖所示，每個射頻功能和應用分別對應多個半導體技術。
5G射頻通信技術
這些應用需要五花八門的處理技術、設計技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿足各個獨特用例的特定需求。
文章來源：Qorvo半導體
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