探索射频前端技术的不同

电子工程世界 2023-11-10 09:02

【TI资料】专为高压系统设计的新型MCU 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案

▲ 更多精彩内容请点击上方蓝字关注我们吧！

5G愿景的真正实现，还需要更多创新。网络基站和用户设备（例如：手机）变得越来越纤薄和小巧，能耗也变得越来越低。为了适合小尺寸设备，许多射频应用所使用的印刷电路板（PCB）也在不断减小尺寸。因此，射频应用供应商必须开发新的封装技术，尽量减小射频组件的占位面积。再进一步，部分供应商开始开发系统级封装办法（SiP），以减少射频组件的数量，尽管这种办法将会增加封装成本。

系统级封装办法正在被用于射频前端，而射频前端包含基站与天线中间的所有组件。

一个典型的射频前端由开关、滤波器、放大器及调谐组件组成。这些技术设备的尺寸不断减小，并且相互集成度不断加大。结果，在手机、小蜂窝、天线阵列系统、Wi-Fi等5G应用中，射频前端正在变成一个复杂的、高度集成的系统封包

不管怎样，5G愿景的实现都需要射频技术和封装技术的颠覆性创新。

氮化镓技术

氮化镓（GaN）是一种二进制III/V族带隙半导体，非常适合用于高功率、耐高温晶体管。氮化镓功率放大器技术的5G通信潜力才刚刚显现。氮化镓具有高射频功率、低直流功耗、小尺寸及高可靠性等优势，让设备制造商能够减小基站体积。反过来，这又有助于减少5G基站信号塔上安装的天线阵列系统的重量，因此可以降低安装成本。另外，氮化镓还能在各种毫米波频率上，轻松支持高吞吐量和宽带宽。

氮化镓技术最适合实现高有效等向辐射基站功率（EIRP），如下图所示。美国联邦通信委员会定义了非常高的EIRP限值，规定对于28GHz和39GHz频带，每100MHz带宽需要达到75dBm功率。因此带来了哪些挑战？相关设备的搭建既要满足这些目标，又要将成本、尺寸、重量和功率等保持在移动网络运营商的预算范围内。氮化镓技术是关键；相比于其他技术，氮化镓技术在达到以上高EIRP值时，使用的元件更少，并且输出功率更高。

半导体技术与EIRP需求的适应性比较

对于高功率基站应用，相比于锗硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技术，在相同EIRP目标值下，氮化镓技术的总功率耗散更低，如下图所示。氮化镓减少了整体系统的重量和复杂性，同时还仍保持较低功耗，因此更适合塔上安装系统的设计。

氮化镓减少了基站设计的复杂性，降低了成本

氮化镓技术的部分重要属性：

可靠性与结实性：氮化镓的功率效率更高，因此降低了热量输出。氮化镓的带隙宽，能够耐受更高的工作温度，因此可以减少紧凑区域的冷却需求。由于氮化镓能够在塔上应用（例如：天线阵列系统）的高温条件下工作，因此可以不需要冷却风扇，以及/或者可以减少散热器的体积。历史上，冷却风扇由于其机械性质，一直是造成外场故障的首要原因。大型散热器不仅硬件本身构成重大成本，并且由于重量原因，还可能带来额外的人力成本。使用氮化镓可以让人们不再使用这些高成本的散热办法。

低电流消耗：氮化镓降低了工作成本，产生的热量也更少。另外，低电流还有助于减少系统功耗和降低电源需求。再者，由于功耗降低，服务提供商也减少了运营支出。

功率能力：相比于其他半导体技术，氮化镓设备提供更高的输出功率。市场的发展趋势以及对于基站高功率输出的需求，更加有利于氮化镓技术的发展。

频率带宽：氮化镓拥有高阻抗和低栅极电容，能够实现更大的工作带宽和更高的数据传输速度。另外，氮化镓技术还在3GHz以上拥有良好的射频性能，其他技术（例如：硅）在这个频率范围的性能却不佳。今天氮化镓模块和功率放大器提供的宽带性能，能够支持5G前所未有的带宽需求。

集成：5G需要体积更小的解决方案，这促使供应商将大规模、包含多个技术的离散式射频前端，替换成单体式全面集成解决方案。氮化镓制造商开始抓住这个潮流，开发那些能够将收发链条整合到单一封装的全面集成解决方案。这进一步减少了系统的体积、重量和上市时间。

体声波滤波器技术

由于新增频带和载波聚合，再加上蜂窝通信必须与许多其他无线标准共存的事实，干涉问题比以往更加严重。要减少频带与标准之间的干涉，滤波器技术是关键。

表面声波滤波器和体声波滤波器具有占位面积小、性能优异、经济适用等优势，在移动设备滤波器市场上居于主导地位。

体声波滤波器最适合1GHz至6GHz的频段，表面声波滤波器最适合1GHz以下的频段。因此，体声波的5G “甜蜜点”是低于7GHz的频段。

体声波和表面声波能够减少LTE、Wi-Fi、自动通信以及新的7GHz以下5G频率的干涉，同时又能满足制造商严格的体积和性能标准。

对于智能手机设计者， 5G的推出对于电池寿命和主板空间又是一个挑战。随着每代产品推陈出新，集成的压力和缩小体积的压力不断增加。在较高频率下工作，意味着功率放大器效率降低，同时天线和线路的损耗增加。另外，5G手机还需要增加射频开关，因此带来更多链路预算损失。（所谓“链路预算”，是指在电信系统中，从发送器经由电缆、走线等直至接收器，在这一过程中产生的所有增益与损失的总和。）

不出意外，从4G到5G，手机里安装的滤波器数量急剧增加，如下图所示。载波聚合是滤波器数量增加的主要促成因素。随着全球载波聚合以及手机中标准和频带的数量越来越多，滤波器技术方兴未艾。另外，在载波聚合以及手机性能优化需求的驱使下，滤波器的复杂性也在增加。