『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,結合產業現狀解讀,以此溫故知新、查漏補缺。本篇推文繼續談5G射頻~
點擊這里,查看5G射頻技術(上篇)精彩內容 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、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。
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?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)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。
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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。
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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,開發那些能夠將收發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。
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表面聲波濾波器和體聲波濾波器具有占位面積小、性能優異、經濟適用等優勢,在移動設備濾波器市場上居于主導地位。
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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。
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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。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”,是指在電信系統中,從發送器經由電纜、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題而增加放大器的功率,則發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。
原文標題:『這個知識不太冷』探索5G射頻技術(下)
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