科普：詳談5G的射頻前端技術(shù)和封裝技術(shù)

今天，我們將帶大家認(rèn)識(shí)一下 5G 的射頻技術(shù)。

5G 愿景的真正實(shí)現(xiàn)，還需要更多創(chuàng)新。網(wǎng)絡(luò)基站和用戶設(shè)備（例如：手機(jī)）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(shè)備，許多射頻應(yīng)用所使用的印刷電路板（PCB）也在不斷減小尺寸。因此，射頻應(yīng)用供應(yīng)商必須開發(fā)新的封裝技術(shù)，盡量減小射頻組件的占位面積。再進(jìn)一步，部分供應(yīng)商開始開發(fā)系統(tǒng)級(jí)封裝辦法（SiP），以減少射頻組件的數(shù)量——盡管這種辦法將會(huì)增加封裝成本。

系統(tǒng)級(jí)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(gè)典型的射頻前端由開關(guān)、濾波器、放大器及調(diào)諧組件組成。這些技術(shù)設(shè)備的尺寸不斷減小，并且相互集成度不斷加大。結(jié)果，在手機(jī)、小蜂窩、天線陣列系統(tǒng)、Wi-Fi 等 5G 應(yīng)用中，射頻前端正在變成一個(gè)復(fù)雜的、高度集成的系統(tǒng)封包。

不管怎樣，5G愿景的實(shí)現(xiàn)都需要射頻技術(shù)和封裝技術(shù)的顛覆性創(chuàng)新。

氮化鎵技術(shù)

氮化鎵（GaN）是一種二進(jìn)制 III/V 族帶隙半導(dǎo)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(shù)的 5G 通信潛力才剛剛顯現(xiàn)。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(yōu)勢(shì)，讓設(shè)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(hào)塔上安裝的天線陣列系統(tǒng)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(shù)最適合實(shí)現(xiàn)高有效等向輻射基站功率（EIRP），如圖 4-5 所示。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)定義了非常高的 EIRP 限值，規(guī)定對(duì)于 28GHz 和 39GHz 頻帶，每 100MHz 帶寬需要達(dá)到 75 dBm 功率。因此帶來了哪些挑戰(zhàn)？相關(guān)設(shè)備的搭建既要滿足這些目標(biāo)，又要將成本、尺寸、重量和功率等保持在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的預(yù)算范圍內(nèi)。氮化鎵技術(shù)是關(guān)鍵；相比于其他技術(shù)，氮化鎵技術(shù)在達(dá)到以上高 EIRP 值時(shí)，使用的元件更少，并且輸出功率更高。

圖 4-5：半導(dǎo)體技術(shù)與 EIRP 需求的適應(yīng)性比較。

對(duì)于高功率基站應(yīng)用，相比于鍺硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技術(shù)，在相同 EIRP 目標(biāo)值下，氮化鎵技術(shù)的總功率耗散更低，如圖 4-6 所示。氮化鎵減少了整體系統(tǒng)的重量和復(fù)雜性，同時(shí)還仍保持較低功耗，因此更適合塔上安裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

氮化鎵技術(shù)的部分重要屬性：

可靠性與結(jié)實(shí)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(qū)域的冷卻需求。由于氮化鎵能夠在塔上應(yīng)用（例如：天線陣列系統(tǒng)）的高溫條件下工作，因此可以不需要冷卻風(fēng)扇，以及/或者可以減少散熱器的體積。歷史上，冷卻風(fēng)扇由于其機(jī)械性質(zhì)，一直是造成外場(chǎng)故障的首要原因。大型散熱器不僅硬件本身構(gòu)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。

圖 4-6：氮化鎵減少了基站設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低了成本。

低電流消耗：氮化鎵降低了工作成本，產(chǎn)生的熱量也更少。另外，低電流還有助于減少系統(tǒng)功耗和降低電源需求。再者，由于功耗降低，服務(wù)提供商也減少了運(yùn)營(yíng)支出。

功率能力：相比于其他半導(dǎo)體技術(shù)，氮化鎵設(shè)備提供更高的輸出功率。市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)于基站高功率輸出的需求，更加有利于氮化鎵技術(shù)的發(fā)展。

頻率帶寬：氮化鎵擁有高阻抗和低柵極電容，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的工作帶寬和更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。另外，氮化鎵技術(shù)還在 3 GHz 以上擁有良好的射頻性能，其他技術(shù)（例如：硅）在這個(gè)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(yīng)商將大規(guī)模、包含多個(gè)技術(shù)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(gè)潮流，開發(fā)那些能夠?qū)⑹瞻l(fā)鏈條整合到單一封裝的全面集成解決方案。這進(jìn)一步減少了系統(tǒng)的體積、重量和上市時(shí)間。

想要更多了解氮化鎵技術(shù)，請(qǐng)參閱《氮化鎵技術(shù) For Dummies，Qorvo 專版》，網(wǎng)址：www.qorvo.com/design-hub/ebooks/gan-fordummies。

體聲波濾波器技術(shù)

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(biāo)準(zhǔn)共存的事實(shí)，干涉問題比以往更加嚴(yán)重。要減少頻帶與標(biāo)準(zhǔn)之間的干涉，濾波器技術(shù)是關(guān)鍵。

表面聲波濾波器和體聲波濾波器具有占位面積小、性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)設(shè)備濾波器市場(chǎng)上居于主導(dǎo)地位。

想要更多了解濾波器技術(shù)，請(qǐng)參閱《濾波器技術(shù) For Dummies，Qorvo 專版》，網(wǎng)址：www.qorvo.com/design-hub/ebooks/filtersfor-dummies。

體聲波濾波器最適合 1 GHz 至 6 GHz 的頻段，表面聲波濾波器最適合 1 GHz 以下的頻段。因此，體聲波的 5G“甜蜜點(diǎn)”是低于 7 GHz 的頻段。體聲波和表面聲波能夠減少 LTE、Wi-Fi、自動(dòng)通信以及新的 7 GHz 以下 5G 頻率的干涉，同時(shí)又能滿足制造商嚴(yán)格的體積和性能標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于智能手機(jī)設(shè)計(jì)者，5G 的推出對(duì)于電池壽命和主板空間又是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著每代產(chǎn)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(shí)天線和線路的損耗增加。另外，5G 手機(jī)還需要增加射頻開關(guān)，因此帶來更多鏈路預(yù)算損失。（所謂“鏈路預(yù)算”，是指在電信系統(tǒng)中，從發(fā)送器經(jīng)由電纜、走線等直至接收器，在這一過程中產(chǎn)生的所有增益與損失的總和。）

不出意外，從 4G 到 5G，手機(jī)里安裝的濾波器數(shù)量急劇增加，如圖 4-7 所示。載波聚合是濾波器數(shù)量增加的主要促成因素。隨著全球載波聚合以及手機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)和頻帶的數(shù)量越來越多，濾波器技術(shù)方興未艾。另外，在載波聚合以及手機(jī)性能優(yōu)化需求的驅(qū)使下，濾波器的復(fù)雜性也在增加。

圖 4-7：智能手機(jī)與集成濾波器技術(shù)。

體聲波技術(shù)的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)就是散熱，如圖 4-8 所示。如前所述，放大器功率的增加導(dǎo)致熱量的增加。如果為補(bǔ)償系統(tǒng)功率損耗或信號(hào)范圍問題而增加放大器的功率，則發(fā)送濾波器產(chǎn)生的熱量也將增加。該熱量對(duì)濾波器的性能和工作壽命都有不利影響，并且會(huì)在衰減區(qū)域和傳輸頻帶造成頻率偏移。體聲波技術(shù)有助于減輕這一問題，因?yàn)?SMR 體聲波濾波器（BAW-SMR）產(chǎn)生垂直熱通量，有助于將熱量導(dǎo)離設(shè)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。

圖 4-8：SMR BAW 濾波器功率處置方式。

射頻技術(shù)、封裝及設(shè)計(jì)

射頻前端由多個(gè)半導(dǎo)體技術(shù)設(shè)備組成。眾多的 5G 應(yīng)用需要五花八門的處理技術(shù)、設(shè)計(jì)技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿足各個(gè)獨(dú)特用例的需求。

對(duì)于 5G 的 7GHz 以下頻段，相應(yīng)的射頻前端解決方案需要?jiǎng)?chuàng)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(dǎo)線長(zhǎng)度，以盡量減少損耗；采用雙面安裝；劃區(qū)屏蔽；以及使用更高質(zhì)量的表面安裝技術(shù)組件等。

所有 5G 用例都需要射頻前端技術(shù)。根據(jù)射頻功能、頻帶、功率等級(jí)等性能要求，射頻半導(dǎo)體技術(shù)的選擇不盡相同。如圖 4-9 所示，每個(gè)射頻功能和應(yīng)用分別對(duì)應(yīng)多個(gè)半導(dǎo)體技術(shù)。這些應(yīng)用需要五花八門的處理技術(shù)、設(shè)計(jì)技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿足各個(gè)獨(dú)特用例的特定需求。