4G时代的射频元器件技术演进及对比

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从2009年12月到2014年1月，全球有101个国家/地区共264个LTE网络投入商业运营。预计未来五年将有几乎同样多数量的LTE网络投 入运 营，LTE网络将会覆盖全球64%的人口。同时，据市场调研公司预计，未来五年智能手机的高端市场会趋近饱和，年均复合增长率会小于5%;但由于存在替换 原来功能机的需求，中低端智能手机市场会仍然以大于20%的速度增长;因此，智能手机总的出货量会以约15%的速度增长，但每个设备的RF含量会以更快的 速度增长。

         

          滤波器需求增长
          由 于4G LTE的出现，使得频段越来越多，频段越多就会导致智能手机的设计复杂性越来越大;加上频谱资源是一个非常稀缺的资源，特别是在北美和欧洲地区，频谱非常 拥挤，这样就一定会增加滤波器的复杂性。TriQuint中国区移动产品销售总监江雄在9月份IIC期间的一次主题演讲中表示，“LTE的采用将会推动 RF总体有效市场（TAM）大幅增长。”
                     
          射频功率放大器的不同工艺对比
          载波聚合、多频带和严格的系统指标将会持续推动射频前端的集成趋势，提高集成度可以克服LTE RF的挑战。TriQuint也推出过不少集成化的产品。但说到集成，不得不提高通的RF360射频前端解决方案，该方案是一个高度集成的射频前端，基本 整合了调制解调器和天线之间的所有基本组件，包括：集成天线开关的射频功率放大器、无线电收发器、天线匹配调谐器和包络功率追踪器。使用该方案能够简化和 解决蜂窝前端面临的众多复杂挑战。这个解决方案是基于SOI CMOS工艺的，其实到目前为止它的性能指标还是没办法跟GaAs技术相比。江雄表示，GaAs在性能上有更好的优势，如果同样是使用GaAs技术的话， 效果可以有60%的提升。他同时还指出了CMOS技术一个比较很大的“痛点”，那就是成本较高，利润很不理想。
           

       

         

          与 TriQuint重点关注手机端的射频技术不同，飞思卡尔的主要关注点在基站等 无线通信等领域的射频技术。飞思卡尔中国区射频资深应用经理狄松则表示，射频功率放大器的应用场合很多，有无线通信、民用雷达、广播、医疗、加热和激光应 用等领域。在他看来，目前总的市场上的功率放大器还是以基于Si工艺的成熟LDMOS技术为主，占有率在70%以上。在无线通讯领域，得益于LDMOS优 秀的性价比，LDMOS的市场占有率应该在90%以上。
           
          他认为，从性能来说，GaAs和GaN可以应用在高频段场合而维持着 不错的效率。但GaAs由于漏极电压的限制，输出的功率能力相对来说较低; 而对于GaN来说，由于材料和加工工艺的复杂性，相对于其他工艺的器件来说，成本上相对较高，另外大规模供货相对于LDMOS来说没有优势。而GeSi的 成本较低，但只适合应用于较小功率的放大器甚至在LNA（低噪声放大器）中。
           
          LDMOS 自上个世纪90年代成功商用以来，工 艺制造技术日趋成熟、稳定。另外在产品性能上，LDMOS功率管在现有的3G， 4G无线通讯的应用频段（例如2GHz左右或以下的频段），相对于GaN来说没有明显的劣势，而在成本上相对GaAs和GaN来说还有一定的优势，综合来 说LDMOS功率管性价比较高。从另外一方面来说，由于器件工艺的成熟和系统应用层面的不断进步，LDMOS的商用成熟度也是最高的。同时因为现在的各个 LDMOS厂家包括Freescale在内还在积极研发新一代高性能产品（包括有源Die和高效率的内匹配技术和集成等等），LDMOS器件性能也会持续 不断提高。
           
          而GaN晶体管首次出现在20世纪90年代，最近几年才开始商业化应用。GaN的普及在于其高电流和高电压性，这 使得它在微波应用和功率切换上极具价值。GaN技术在性能上优于其他射频技术，这是因为在给定频率下，GaN可以同时提供最高的功率、增益和效率组合，还 因为GaN可以在较高的工作电压下工作，并且降低系统电流。
           
          尽管与Si和GaAs等其他半导体材料相比，GaN是相对较新的技术，但是对 于远距离信号传送或高端功率级别等（例如雷达、基站收发台、卫星通信、电子战等）高射频和高功率应用，GaN已经成为优先选择。这一点江雄表示同意，不过 他还是觉得在手机端使用GaN技术目前来说还显得有点奢侈。
           
          在狄松看来，“未来几年，我们预计LDMOS还将继续占领市场主流。但我们同时看到，在一些高频段应用领域（比方说3.5GHz或更高频段），由于GaN的性能优势，对于效率要求较高的项目，GaN的方案会被应用在其中进行补充。”
           
          另外，他还认为随着5G的推出和标准的逐步明确，各个器件供应商会推出集成度较高的器件，如RFIC等。如果频段较高，如工作在10GHz以上的频段，功放 可能会采用GaAs，GaN或更新的技术材料器件。对此，他觉得主要原因是因为用于手机上的射频功率放大器输出功率较小，相对基站功放来说，单芯片比较容 易满足多频段和多制式的要求。
           
          小结
          随着LTE的出现，智能手机需要支持的频段越来越多 ，给手机的设计带来了更大的难度，需要的射频器件也变得越多。这个必将促使射频厂商提供更多集成度更高、性能更好的产品。而未来哪种射频技术最合适，还需要市场的检验，就目前来说低成本的射频技术更加受手机厂商青睐。