《電子技術(shù)應(yīng)用》
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全面占領(lǐng)手機后,,射頻前端如何“上車”,?

2022-07-29
作者: 張慧娟
來源: 與非網(wǎng)eefocus
關(guān)鍵詞: 射頻前端

  隨著無處不在的連接向汽車的擴展,,RF-SOI作為可選的工藝技術(shù)之一,將繼續(xù)發(fā)揮重要作用,,以確保低成本高可靠性的連接,。

  “一切設(shè)備都將走向移動和互聯(lián)”,汽車作為最為常見的“移動”設(shè)備,,也是如此,,車聯(lián)網(wǎng)勾勒出了宏大的愿景。

  射頻前端作為所有通信設(shè)備的核心,,也在用于汽車,。全世界100%的智能手機都離不開的射頻絕緣體上硅 (RF-SOI) 襯底技術(shù),已經(jīng)把汽車作為了下一個“戰(zhàn)場”,。

  100%智能手機都用的半導(dǎo)體技術(shù)

  成功在哪里,?

  智能手機融合了多樣化的功能,包括無線電發(fā)射和接收,、數(shù)字處理,、存儲、音頻,、電池管理,、攝像和顯示等,通過前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話和基站之間的射頻信號傳輸和接收,。

  如今,,智能手機不僅要實現(xiàn)sub-6GHz、毫米波,、WiFi 2.4GHz/5&6GHz,、藍(lán)牙和UWB等無線協(xié)議的載波聚合(CA),而且5G,、WiFi 6(E),、藍(lán)牙5.3/BLE等無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)吞吐量極大提升,對能耗也提出了更高要求,。

  從智能手機射頻前端的發(fā)展歷程來看,,其集成度和價值量幾乎在成倍增加,。國金證券數(shù)據(jù)顯示,從2G時代到5G的sub-6GHz,,價值量從0.7美金增至32美金,。同時,從2G時代PA,,到3G時代的PA,、濾波器及開關(guān),再到4G時代頻段的大幅增加,,濾波器,、開關(guān)、Tx/Rx濾波器(BAW)等大幅增加,,直至5G時代的頻段,、濾波器、開關(guān),、Tx/Rx濾波器(BAW)等在4G基礎(chǔ)上成倍增加,。

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  智能手機中的前端模塊:以超高頻率搭載數(shù)據(jù)

  一個演變多年的技術(shù)趨勢是,每次通信時代更迭都對前端模塊的設(shè)備數(shù)量與性能提出更高的要求,。手機射頻前端的芯片材料技術(shù),,已經(jīng)由早前的體硅襯底轉(zhuǎn)向SOI(絕緣體上硅),該襯底由薄的硅器件層,、處理襯底,以及使器件層與處理襯底物理分隔并電隔離的薄掩埋氧化物(box)層構(gòu)成,。

  回溯智能手機對高性能射頻的需求演變,,約在2010年左右,RF-SOI初步用于開關(guān)和一些射頻前端控制器件中,。

  到了2016年,,當(dāng)時已經(jīng)演進(jìn)到了LTE、4G共存,,出現(xiàn)了更多復(fù)雜的模塊,、天線調(diào)諧器等,對于高性能開關(guān)的需求更加強烈,。RF-SOI隨之被應(yīng)用到越來越多的天線調(diào)諧器和開關(guān)中,,特別是射頻前端開關(guān)、射頻前端控制等器件,。

  從2018年到現(xiàn)在,,伴隨著5G的推進(jìn),手機需要更復(fù)雜的模塊和更高的集成度,。由于5G使用不同的高頻頻段來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,,因此5G RF前端模塊所需的功率放大器,、濾波器、開關(guān),、LNA和天線調(diào)諧器的需求量倍增,。

  對射頻前端來說,一個顯而易見的趨勢是集成化與模塊化,。為了將不同材料,、不同工藝的器件集成在一起,優(yōu)化襯底和對應(yīng)的模塊,、測試封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)兼容變得至關(guān)重要,。

  RF-SOI技術(shù)在保證有效和高效的頻譜利用方面起著至關(guān)重要的作用,它可以使5G和其他共存無線標(biāo)準(zhǔn)之間的互擾降到最低,,最大程度地減少非線性干擾,,如信號諧波的產(chǎn)生,保證射頻前端的正常工作,。

  由于RF-SOI能夠以更優(yōu)的性價比實現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗,,可以帶來更快的數(shù)據(jù)速度、更長的電池壽命和頻率更穩(wěn)定,、流暢的通信質(zhì)量,。得益于RF-SOI技術(shù)的存在,不但使開關(guān),、PA,、LNA、移相器,、可變增益放大器(VGA)被完全集成在一起,,還同時具有控制、偏置,、內(nèi)存和電源結(jié)合功能,。

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  如今,接近100%的射頻開關(guān)基于RF-SOI或FD-SOI技術(shù)而開發(fā),;超過80%的集成低噪聲放大器基于RF-SOI開發(fā),,接近100%的天線調(diào)諧器都用到了SOI技術(shù)。

  RF-SOI能否在汽車市場延續(xù)成功,?

  不斷演進(jìn)的射頻前端技術(shù)已然支撐了移動通信的發(fā)展浪潮,。下一步,面向汽車的無線通信需求,、保障汽車的智慧連接,,射頻前端核心技術(shù)又將發(fā)生哪些顛覆?

  網(wǎng)聯(lián)汽車需要依賴多個系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò):連接到云進(jìn)行遠(yuǎn)程信息處理(Telematics) ,需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星4G LTE,、5G,、Wi-Fi等標(biāo)準(zhǔn);連接到駕駛員/乘客實現(xiàn)信息娛樂(Infotainment)功能,,需要通過 Wi-Fi,、Bluetooth等標(biāo)準(zhǔn);連接到環(huán)境,,實現(xiàn)車聯(lián)萬物(Vehicle to Everything, V2X),,需要通過專用短程通信 (DSRC)、蜂窩車聯(lián)網(wǎng) (C-V2X),、超寬帶 (UWB) 等標(biāo)準(zhǔn),。

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  就硬件方面而言,全車無線連接需要多個天線與射頻前端 (RFFE),。乘用車的天線常位于車頂,,稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學(xué)的發(fā)展,,集成在車身面板中的共形天線也越來越常見,。但無論如何,天線都位于車輛表面附近,,以避免汽車金屬車身產(chǎn)生的法拉第靜電屏蔽效應(yīng),。此外,為了盡量減少可能損害發(fā)送/接收信息完整性的損耗和干擾,,OEM大都選擇將射頻前端放置在盡可能靠近天線的位置,。

  與所有無線設(shè)備一樣,網(wǎng)聯(lián)汽車依賴多個射頻IC和射頻模塊來實現(xiàn)可靠的無線連接,。大多數(shù)此類元件都包含在一個“盒子”中,,通常稱為遠(yuǎn)程信息處理盒(T-BOX),也稱為遠(yuǎn)程信息處理控制單元(TCU),。根據(jù)《面向智能化和可持續(xù)移動性的 RF-SOI 優(yōu)化襯底》白皮書,TCU 中包含了用于傳感,、定位以及數(shù)據(jù)存儲,、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中,,網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備(NAD)中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)(4G LTE 或 5G)通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路,,射頻前端即涵蓋其中。

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  Soitec移動通信部門高級業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Luis Andia認(rèn)為,,汽車RFFE的設(shè)計正變得更加定制化,,需要從一開始就考慮到汽車場景中相關(guān)的設(shè)計限制。

  一個典型的應(yīng)用場景比如緊急呼叫,發(fā)生事故時向應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊(救護(hù)車,、消防員等)提供關(guān)鍵信息的系統(tǒng),,是汽車無線應(yīng)急系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。

  發(fā)生事故時,,無論車輛處于何種狀態(tài),,若要確保需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠找到通向工作TCU 天線的路徑,并聯(lián)系到應(yīng)急響應(yīng)小組,,并不是一件容易的事,,它要求射頻開關(guān)異常穩(wěn)健。應(yīng)急呼叫射頻開關(guān)應(yīng)必須能夠在兼容蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率(達(dá)幾百毫瓦)下進(jìn)行熱切換,,并符合 ASIL A 標(biāo)準(zhǔn),。“使用RF-SOI帶來的優(yōu)勢之一,,是發(fā)生緊急事件時,,你可以快速建立一個通信路徑,進(jìn)行緊急服務(wù)溝通,,RF-SOI能夠提供汽車所需的熱切換和可靠性”,, Luis Andia表示。

  除了通信之外,,用于汽車?yán)走_(dá)和其他駕駛輔助系統(tǒng)中的還有FD-SOI,。這項技術(shù)可以與RF-SOI互為補充。在解決5G不同頻段共存的問題上,,它們可以為射頻設(shè)計提供更多的靈活性,。

  據(jù)了解,F(xiàn)D-SOI目前主要用于40nm和20nm左右的光刻平臺,。業(yè)界正在尋求在20nm,、18nm、12nm等以下光刻技術(shù)平臺中使用FD-SOI,,格芯和意法半導(dǎo)體在法國合建了新的晶圓廠,,致力于提升FD-SOI的產(chǎn)能。

  應(yīng)對汽車射頻前端模塊化挑戰(zhàn)

  汽車內(nèi)部的通信系統(tǒng)越來越復(fù)雜,,射頻前端模塊化成為一大趨勢,。對于汽車來說,模塊化的主要挑戰(zhàn)是什么,?

  Luis Andia認(rèn)為,,汽車射頻前端模塊化主要面臨兩大挑戰(zhàn)。首先是溫度管理(thermal management),。由于模塊密度相對較高,,并且裸片位置非常接近,,例如,當(dāng)功率放大器溫度升高時,,并不希望這種溫升對相鄰裸片的性能產(chǎn)生降級影響(對于低噪聲放大器而言,,它的噪聲系數(shù)可能會由于溫度變化上升),所以溫度管理是一個非常大的挑戰(zhàn),,Soitec也在著力解決這個問題,。通過應(yīng)用一些能量密度相對較高的材料,如RF-GaN幫助更有效地管理功率,,從而最大限度地減少溫升,。此外,也在為RF-SOI襯底開發(fā)新功能,,以幫助保證高溫下的高線性度環(huán)境,。

  另一大挑戰(zhàn)則是干擾,例如相鄰碼片信號之間的串?dāng)_,。干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無源器件(傳輸線,、電感等)或有源電路(晶體管、二極管等)的任一點,。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來構(gòu)建大部分的射頻前端電路,,無論干擾發(fā)生在何處,都將被最小化,。

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  通過富陷阱層,,能夠捕捉氧化埋層以及高電阻操作層中游離的寄生電荷(parasitic charge),從而保證襯底達(dá)到非常高的電阻率,,實現(xiàn)較高的線性度,。這不僅僅是為晶體管,也為其他無源器件提供了高線性度,。

  Luis Andia指出,,高線性度能夠幫助實現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)的共存,減少相鄰頻段的干擾,。不管是數(shù)字信號還是模擬信號,,即使是非常復(fù)雜的5G毫米波射頻前端,通過富陷阱層都能夠?qū)崿F(xiàn)較好的隔離,,從而防止信號串?dāng)_,。

  而RF-SOI之所以能夠獲得廣大市場,也正是因為它能夠保證非常高的信號線性度和信號完整性,。對SOI+低電阻率晶圓、SOI+高電阻率晶圓,、RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓這三類材料進(jìn)行比較,,可以發(fā)現(xiàn)RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號失真度(distortion)最低、線性度最高。

  此外,,隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜,,一項技術(shù)并不能解決所有問題,需要多項技術(shù)互為補充,。例如RF-SOI,、FD-SOI、RFeSI,,同時還有用于濾波器的POI,、用于大功率的RF-GaN優(yōu)化襯底等共同應(yīng)用,來最大限度地減少相鄰系統(tǒng)之間的干擾,。

  模塊化已經(jīng)成為車身網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計要素,,它所提供的靈活性可滿足不同區(qū)域市場的需求,而將發(fā)射,、接收和濾波功能集成在多個模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢,,它們可以快速更換,以適應(yīng)車輛所在的銷售區(qū)域,,并滿足區(qū)域法規(guī)和當(dāng)?shù)赜脩舻钠谩?/p>

  寫在最后

  現(xiàn)代汽車對于連接性的需求和依賴程度與日俱增,。目前的遠(yuǎn)程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡(luò),也非常依賴V2X的連接,,還要使用專屬的近距離通信系統(tǒng),,包括Wi-Fi、藍(lán)牙等,。

  經(jīng)過大規(guī)模制造驗證的RF-SOI襯底技術(shù),,促進(jìn)了智能手機的普及。隨著無處不在的連接向汽車的擴展,,RF-SOI作為可選的工藝技術(shù)之一,,將繼續(xù)發(fā)揮重要作用,以確保低成本高可靠性的連接,。

  正如Luis Andia對汽車汽車市場應(yīng)用前景的預(yù)測,,幾種不同的射頻系統(tǒng)需要在內(nèi)部共存,并且不能對彼此干擾,,隨著汽車連接需求的顯著增加,,汽車行業(yè)在輔助駕駛和信息娛樂等系統(tǒng)方面具有巨大的增長潛力。

  

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