根据前面的介绍,射频前端中的关键器件包括放大器及滤波器。为迎接5G的到来,射频器件的升级不仅体现在数量及处理技术的升级方面,超高带宽及超高频信号将超过传统射频器件处理的极限,因此相关材料和技术的升级也势在必行。
2017年5月,领先RF供应商Qorvo宣布推出四款适用于5G基站的高性能28GHz RF产品,其架构充分利用该公司经现场检验的碳化硅基氮化镓 (GaN-on-SiC) 和砷化镓 (GaAs) 工艺技术,不仅提供领先的性能,还具有小型化的尺寸。Qorvo 的 28GHz 产品包括:QPC1000 移相器,这款产品具有相位解析能力,能够在发射/接收功能之间切换;两款发射产品 – TGA4030-SM GaAs 中等功率放大器/倍增器和 TGA2594 GaN-on-SiC 功率放大器;QPA2628 GaAs 低噪声放大器。整套 28GHz 发射和接收解决方案可提高功效、优化尺寸,帮助电信设备提供商构建 5G 试验系统,加快整个毫米波 5G 基站网络的部署。
研究机构Yole Developpement指出,随着5G技术的日益成熟,未来射频功率放大器(RF PA)市场将出现显著成长。由于氮化镓(GaN)之于载波聚合(CA)、多输入多输出(MIMO)等新科技,效能与带宽上双双较横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)具优势。LDMOS制程将逐渐被GaN新兴的取代,砷化镓(GaAs)市场占比则相对稳定。展望未来,采用GaN制程的RF PA将成为输出功率3W以上的RF PA所采用的主流制程技术,LDMOS制程的市场份额则会明显萎缩。Qorvo认为低电压GaN所提供的耗能将不可避免的进入手机设备,在5G中凭借应对高频信号的优势有望取代3G、4G中已被广泛应用的GaAs制程。
图表1. GaN满足5G应用需求

图表2. GaN及LDMOS出货量对比

除了放大器部分,滤波器在处理相对4G更宽的带宽以及更高的频率时也将需要技术和工艺的升级。其中,声表面波(SAW)滤波器广泛应用于2G接收机前端以及双工器和接收滤波器。 SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。温度补偿TC-SAW可有效应对SAW易受温度影响的问题,但是SAW、TC-SAW一般用于1.5GHz以内。
高频率对滤波器的转变也是一个挑战。在4G以前,由于频率相对较低,SAW滤波器已经能够满足设备的需求。但跨入了5G高频时代,SAW的局限性就凸显。在高频仍然保持较高Q值的BAW滤波器就成了业界的新宠。同时,随着毫米波、massive MIMO等技术的成熟应用,滤波器的需求将会快速提升,从而推动相关市场的高速发展。体声波滤波器(BAW)滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。BAW 器件所需的制造工艺步骤是SAW的10倍,但因它们是在更大晶圆上制造的,每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此,BAW的成本仍高于SAW。 然而,对一些分配在2GHz以上极具挑战性的频段来说,BAW是唯一可用方案。因此,BAW滤波器在3G/4G智能手机内所占的份额在迅速增长。
图表3. 适用于各个频段的滤波器技术

在过去的无线通信系统中,毫米波通信系统由多个分立器件搭建而成,各个器件分别利用CMOS、SiGe BiCMOS 和GaAs 材料制成并调整为最优状态,但是过多的器件不可避免导致了较高的成本和复杂因素。在5G 标准中,适当的器件集成一方面将大幅降低成本另一方面也将使得相应的PCB 更为小型化,鲁棒性及良品率都会大幅提升,从而帮助5G 技术的大幅普及。


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