4G时代的射频技术

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。”

他指出，未来几年，高性能滤波器会以年均复合增长率40%~50%的速度增长(如图1所示)。他强调，这里的高性能滤波器主要指体声波(BAW)和温度补偿声表面波(TC-SAW)这两种滤波器。

图1：LTE手机中的假设RF含量。

其实不同类型的手机中采用的滤波器类型和数量都是不一样的，比如在功能机时代，只需要普通的SAW滤波器就足够了；就算是3G手机时代，对BAW滤波器和 TC-SAW滤波器的需求也不大。但是到了4G时代，一款智能手机必须要对多个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，同时还要对 WiFi、蓝牙和GPS接收器等的接收路径进行滤波，而高端智能手机可能需要用到滤波器的地方会更多。这些频带范围都不相同，又不能相互干扰，这必然需要 更多的滤波器来对这些信号进行隔离。

而SAW滤波器由于本身的局限性，一般只适用于1.5GHz以下的应用。另外它也易受温 度变化的影响。高于1.5GHz时，TC-SAW和BAW滤波器则更具性能优势。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小，这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G和4G应用。还有就是即便在高宽带设计中，BAW对温度变化也没有那么敏感，同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。“BAW的集成化更 高、性能更好、带宽的抑制能力更强，而且它为大于2GHz的LTE频带进行了优化。”江雄在演讲中提到。

智能手机中的高级滤波器需求会持续增加，从图2中我们可以看到移动设备中的RF器件发展主要有三个趋势：一是功率放大器市 场是从持平到缓慢下降，江雄认为这主要是因为宽带放大器的应用造成的；二是CMOS开关和调谐元件会稳步增长，调谐元件目前很多手机没有，但以后的手机基 本都会具备；三是滤波器的增长是非常迅速的。他认为这后面的原因比较多，但最主要的是频带扩散、载波聚合和分集接收/WiFi。

图2：移动设备RF TAM收入预测。

对于在4G时代，为什么需要采用载波聚合技术，江雄是这样解释的，“LTE-Advanced在低移动性下峰值速率达到1Gbps，高移动性下峰值速率达到 100Mbps。那么为了支持这样的峰值速率，我们需要更大的带宽。而对运营商来说，频谱资源相对来说是比较紧的，每个运营商分到的频谱资源不多，特别是 连续的频谱资源时非常有限的。为了解决这个问题，LTE-Advanced就提出了载波聚合的解决方案。”

载波聚合目前有两种实现方式，一是连续载波聚合，将相邻的数个较小的载波整合为一个较大的载波；另一个是非连续载波聚合，就是将离散的多载波聚合起来，当作一个较宽的频带使用，通过统一的基带处理实现离散频带的同时传输。

其实滤波器技术经历了不同的发展阶段，据江雄回忆，十几年前的SAW滤波器还是陶瓷封装的，陶瓷封装很坚固，也很耐用；后来日本的村田将它做成了塑料封装。 再后来发展成现在的WLP封装。这种晶圆级的封装是以BGA技术为基础，是一种经过改进和提高的CSP。有人又将WLP称为圆片级－芯片尺寸封装。圆片级 封装技术以圆片为加工对象，在圆片上同时对众多芯片进行封装、老化、测试，最后切割成单个器件，可以直接贴装到基板或印刷电路板上。它使封装尺寸减小至 IC芯片的尺寸，生产成本大幅下降。

“众所周知，智能手机厂商对成本都比较敏感，一般都会尽可能降低制造成本。同样，如果滤 波器的成本过高，肯定会提高手机厂商的成本。而在整个滤波器的成本中，所占比重最大的可能很多人都猜不到是哪一部分。”江雄在演讲中表示，“其实滤波器里 面部分的成本并不高，最高的部分在于封装，对于陶瓷封装来说，封装的成本占整个滤波器成本的50%左右，塑料封装的成本占85%以上。而现在的WLP封装 成本很低，使得滤波器的成本一下就降下来了。”

“这是一种颠覆性的技术。”他抑制不住自己的兴奋。说到TriQuint在中国市场上的表现，他自豪地表示：“目前中国市面上能见到的LTE手机，基本上都有使用我们的BAW滤波器。2014年的滤波器产量大于10亿，是全球成长最快的滤波器制造商。”

射频功率放大器的不同工艺对比

图3中的左侧部分显示了一些不同工艺的功率放大器市场发展趋势。图中主要说明了GaAs HBT、GaAs E-pHEMT、SOI CMOS、Bulk CMOS等目前市场上所占比例比较多的几种功率放大器的未来发展趋势。江雄认为在手机端GaAs技术在现在和未来几年都将是市场中主要的功率放大器技术。 他不否认CMOS技术一直都在追赶的事实，不过还是觉得CMOS技术在现阶段不是最好的选择，理由是GaAs技术可以提供更高的效率，而且增益更高、增益 变化更低、相变更低，加上具有更小的尺寸和成本。他特意指出TriQuint的HBT第五代产品会让这些优势更加明显。

图3：RF频率的升高推动了滤波器技术的发展。

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。

图4：不同工艺的功率放大器市场发展趋势。

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。