2015-2016年中国手机用集成式射频前端模块发展趋势分析

    相关报告：产业信息网《2015-2020年中国手机射频市场运行态势与投资前景评估报告》

    半导体厂商多年来一直在努力把各种功能集成到大型集成电路中。我们已经看到，摩尔定律在日常生活中给性能和成本带来了难以置信的影响。在移动通信终端中，许多元器件要么已经集成到射频芯片中，要么因直接数字上/下变频器的出现而消失。在通信终端中，到目前为止一直有两个射频元器件没有被集成，即滤波器和射频功放。这两种器件采用的构建技术都不兼容芯片上CMOS集成。在传统上，滤波器一直采用陶瓷或声表面波（SAW）技术构建，而射频功放则一直使用砷化镓（GaAs）异质结双极晶体管（HBT）或FET器件构建。由于这些技术与射频芯片使用的硅或硅锗工艺有着很大区别，因此功放和滤波器一直作为分立器件，与现在执行手机大部分射频功能的大规模集成芯片组分开。

    不过，目前声音谐振器技术和先进的低噪声高线性度晶体管技术已经明显缩小了每种分立功能的体积，如当前CDMA PCS手机设计中使用的单独的薄膜腔声谐振器（FBAR）滤波器和增强模式伪形态高电子迁移率晶体管（E-pHEMT）功放器。因此，现在的单片电路滤波器和放大器技术允许设计人员突破射频集成障碍，重要的技术进步包括声表面波滤波器、FBAR滤波器、异质结双极晶体管（HBT）和E-pHEMT。由于每种技术都把某种射频功能精简到单片电路设备上，因此可能需要重要举措来提高集成度。以前的技术如陶瓷滤波器需要采用非单片电路结构，集成起来很不方便。

    集成式射频前端模块的好处

    最近，一些公司已经开始采用多种芯片技术和板上多芯片（MCOB）封装开发射频模块。这种方法通过采用优化的半导体工艺，可以实现最佳的滤波器和功放性能。砷化镓HBT或E-pHEMT放大器可以与基于硅的FBAR滤波器集成在一个价格低廉的封装中。同时，MCOB模块可以大大降低体积，改善射频前端的性能。以放大器与滤波器整合为形成的集成式射频前端模块（FEM）的最明显优势是可以进一步缩小体积。在一部双频CDMA手机的典型布局中，集成了双工器/放大器的FEM所需的电路板空间仅是采用分立双工器、滤波器和放大器所需空间的大约一半，这种尺寸的大幅缩小主要归功于消除若干个元器件使用的多个输入/输出接口。

    集成式射频前端模块的第二个明显优势在于可以实现的效率改善。通过优化输出上功放器和滤波器/双工器之间的接口，设计人员可以把典型手机的通话时间延长半小时以上。其原因是把功放器和滤波器与实现最优效率或线性度性能的阻抗自由匹配起来，可以产生明显的好处。我们通过一次实验比较了放大器和双工器组合，其中使用同一放大器，但集成程度不同。在全部三项测试中，双工器的输出功率都设为+24.5dBm，结果发现改进的匹配程度及降低集成式前端模块中发射链的插入损耗，可以大大改进效率。在CDMA手机中，改进的效率可以把通话时间延长35~45分钟。

    集成式射频前端模块的第三个优点在于，由于射频元器件之间的线路长度可能非常短，因此集成式射频前端模块更不容易受到射频干扰。通过把多种功能集成到一个微型MCOB器件中，射频芯片的发射机输出与天线之间的信号传输长度会变得非常短，因此，PCB的射频段收到的干扰和发射的干扰都会比较少，从而降低对其它元器件的潜在影响。

    进一步集成的未来之路

    这一性能改善将把我们带到哪里？通过采用零中频结构及数字应用技术的其它进步，似乎很明确的一点是，进一步集成对射频元器件不可避免。问题仍然是：进一步集成射频放大器和滤波器会发生在射频芯片和/或基带芯片组中，还是有单独的射频集成道路？多种市场发展态势表明，这种集成可能是分开的，也就是说，将在单独的元件中进行射频集成。例如，在GSM和W-CDMA市场中，射频芯片通常由基带芯片之外的不同厂商提供。由于CMOS技术正在不断改进速度和性能，大多数专家同意，基带和射频芯片组集成在未来几年内将变得可行。

    另一方面，功放器件和专用滤波器等射频元器件要求的性能与半导体工艺有着很大的差异。功放器要求高线性度，晶体管导致的噪声较低，同时把信号电平提升到接近1瓦。基于CMOS的放大器近年来取得一定的进步，但预计不会与高迁移性材料争夺高功率应用，因为CMOS工艺是为低电流/低电容晶体管应用优化的。因此，在要求大量功率的移动无线应用中，CMOS放大器在线性度和效率方面有着明显的缺点。

    滤波器和双工器给CMOS技术提出了更大的挑战。大多数移动手机目前采用陶瓷、声表面波或FBAR谐振器，以利用陶瓷或声音技术提供的高Q优势。CMOS器件中的电感器Q值一般约为100，而陶瓷没有负荷的Q值在1000~3000之间，单片电路FBAR谐振器的Q值则要高达3000。没有负荷的Q值越高，滤波器的插入损耗越低，滚降越剧烈，从而可以改进抑制性能。因此，许多芯片组供应商考虑把嵌入式滤波器集成到射频芯片中。这种方法给简单的滤波器应用带来了一些希望，如GSM接收机和发射机滤波器，其中将在硅晶片流程中制作分离的模具，如FBAR，然后可以把模具嵌入到基带或射频芯片器件中。（注：由于石英晶体基底和基于硅的射频芯片的热量不匹配，因此可能很难以类似方式集成声表面波滤波器。）

    在CDMA和W-CDMA等FDD应用中，一般使用双工器把接收机频段和发射机频段分开。由于双工器必须位于天线接口上，因此功放器自然而然地位于射频芯片和双工器之间。因此对CDMA和W-CDMA，把双工器嵌入射频芯片中变得有问题。为实现杰出的解决方案，有必要同时集成滤波器技术和功放器技术。对移动手机应用，在性能、成本和供应商发展动态之间实现最佳平衡的方法是：由于集成式基带/射频芯片组等手机的数字部分可以实现非常低的成本和非常高的性能，因此可以为这些功能优化CMOS工艺和设计。而对于射频前端部分，通过采用一两个射频前端模块，可以利用GaAs功率器件中更高效的性能和单片电路谐振器的高Q滤波器性能。

    在过去15年中，移动手机设计的整体发展趋势已经涉及到大规模集成度。这种趋势将继续，为未来的多频多模式手机提供性能和成本优势。由于目前多家公司在射频开发上不断取得进展，我们可以期待未来的手机电路板上留出更多的空间，实现更大的内存、处理能力及更加高级的应用。