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射频开关分类及RF开关市场发展趋势分析[图]

2019年06月13日 13:41:26字号:T|T

    射频开关的作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通,以实现不同信号路径的切换,包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等,以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。射频开关的主要产品种类有移动通信传导开关、Wi-Fi开关、天线开关等,广泛应用于智能手机等移动智能终端。智能手机可能包含10多个RF开关设备。

    射频开关的的工作原理如下图所示:当射频开关的控制端口加上不同电压时,射频开关各端口将呈现不同的连通性。以单刀双掷射频开关为例,当控制端口加上正电压时,连接端口1与端口3的电路导通,同时连接端口2与端口3的电路断开;当控制端口加上零电压时,连接端口1与端口3的电路断开,同时连接端口2与端口3的电路导通。

射频开关工作原理示意图

数据来源:公开资料整理

射频开关的分类

开关类型
英文简称
作用
单刀单掷
SPST
将信号从一个输入传递到一个输出,即它连接或断开信号
单刀双掷
SPDT
将信号从一个输入传递到两个输入之一
单刀多掷
SPnT
将信号从一个输入传递到多个输出之一
双刀双掷
DPDT
-
旁通开关
-
-

数据来源:公开资料整理

    场效应晶体管FET是构成RF开关的重要元素,因此FET的非理想特性会严重影响开关性能。在低阻抗状态下,FET源级漏级之间的导通电阻不为零,所以信号通过FET时会产生能量损失,反映在指标上就是插入损耗。FET开关的插入损耗可重复性强,可以建立有效模型,在需要高精度的应用中,可以进行适当校准和补偿。除此之外,开关在关断状态下,信号还会通过FET寄生电容漏电,可以用隔离度指标进行量化。FET的非线性,也产生互调和谐波失真。输入1dB压缩点是表征线性度的指标,当插入损耗相比于低输入功率情况下下降1dB是的输入能量水平就是IP1dB。P1dB越高,线性度越好。FET开关可以处理的功率或者能量是有限的,因此也有最高能量指标。开关的速度可以用转换时间和建立时间来表示,也就是表示开关转换信号路径的速度。

开关的转换时间TSW和建立时间TS

数据来源:公开资料整理

    开关场效应晶体管(FET)用作三端口器件,其中源极和漏极端口形成用于RF信号的传导路径或通道,栅极端口被施加直流电压来控制通道开闭。大多数开关FET使用耗尽型模式,也就是说没有施加电压时,沟道通常处于其低电阻状态,而漏极和源极施加负电压时,沟道处于高电阻状态。

单刀双掷开关结构

数据来源:公开资料整理

    随着单片RF开关技术的发展,设计的复杂度从简单的单刀单掷、串联、窄带宽结构过渡到了多刀多掷、宽带、多串联、多分流的复杂构造开关。同时,最大入射RF功率也增加到30dBm至33dBm的范围。在过去几年中,GaAspHEMT,SOIMOSFET和PIN二极管技术得以采用,来解决原有的材料散热问题,并且可以处理20瓦范围内的入射功率水平的高频开关。射频和微波频率下的100瓦连续波能量。

    随着频率增加到毫米波的范围,AlGaAs/GaAs异质结PIN二极管集成开关可以将功率处理提高到40瓦,在极高频率下的性能卓越。基于GaNHEMT技术利用碳化硅,蓝宝石或高电阻率硅衬底的控制部件也被采用,来替代传统的硅和GaAs工艺,用于高功率处理。

    GaN工艺相比于GaAs和SiC有其独有的优势,例如击穿电场强度是硅和GaAs的十倍,在高功率上应用优势明显;介电常数和硅、GaAs以及SiC相比降低了50%,并且能量密度大幅度提升,因此在高频高功率具有显著优势。GaNHEMT器件在高功率控制上,尤其是射频、微波毫米波领域的优势是非常明显的。但是GaNHEMT的导通电阻典型值为6.25ohmxmm,相对较大,会限制其在高频高摆幅时的应用,高功率输出时有线性度限制。

GaNHEMT器件电流电压关系图

数据来源:公开资料整理

    基于CMOS工艺的SOIMOSFET也是适合于高功率高频率开关的有源器件,导通电阻可以达到1.0ohm*mm和2.0ohm*mm,关断时的电容可以达到250fF/mm和30fF/mm。综合各方面性能,SOI与GaAspHEMT开关性能接近,可以用在RF微波频率。即使和GaNHEMT相比,SOIMOSFET的导通电阻也很低,在RF上优势明显。

    二、RF开关市场分析

    5G智能手机需要接收更多频段的射频信号,根据调查数据总结,2011年及之前智能手机支持的频段数不超过10个,而随着4G通讯技术的普及,至2016年智能手机支持的频段数已经接近40个;因此,移动智能终端中需要不断增加射频开关的数量以满足对不同频段信号接收、发射的需求。与此同时,智能手机外壳现多采用手感、外观更好的金属外壳,一定程度上会造成对射频信号的屏蔽,需要天线调谐开关提高天线对不同频段信号的接收能力。

    根据调查数据统计,2010年以来全球射频开关市场经历了持续的快速增长,2017年全球市场规模达到14.47亿美元,2017年及之后增速放缓,但预计到2020年期间仍保有9.5%的年化增长率,预计到2020年达到19.01亿美元。

2010-2020年全球射频开关销售收入及预测

数据来源:公开资料整理

    目前RF开关的主要市场被海外公司占领,主要包括Skyworks、Qorvo、博通、恩智浦、英飞凌、Murata等。这些主要玩家仍在不断进行生产技术创新来提高企业效率。国内的公司则有锐迪科、卓胜微、唯捷创芯、韦尔股份等。卓胜微公司的射频前端芯片应用于三星、小米、华为、vivo、OPPO、联想、魅族、TCL。目前国内的RF开关技术还有待提高,国产化趋势可以期待。

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国射频模块行业市场竞争格局及未来发展趋势报告

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