5G時代來臨,前端發展與趨勢
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- 发布时间:2020-12-23 14:39
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【概要描述】射頻前端模組化是產業發展趨勢,蘋果等一線旗艦機型使用大量模組化射頻零組件。射頻前端各類零件獨立製作相對容易,一旦要整合成單一晶片,廠商就要具備強大的射頻設計能力。
5G時代來臨,前端發展與趨勢
【概要描述】射頻前端模組化是產業發展趨勢,蘋果等一線旗艦機型使用大量模組化射頻零組件。射頻前端各類零件獨立製作相對容易,一旦要整合成單一晶片,廠商就要具備強大的射頻設計能力。
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首先,各位讀者必須瞭解,無線通訊傳輸的媒介為電磁波,且通訊兩端必須使用相同頻率的電磁波才能傳遞訊息,否則會相互干擾;而所謂「頻寬」,就是無線通訊傳輸的胃納量,將決定有多少裝置可以同時連線。
因為通訊兩端要使用相同頻率的電磁波才能傳遞訊息,就像是在寬闊的平地上放置火車軌道,平地的寬度就是「頻寬」,火車軌道為「頻譜」,火車就是訊息。一般我們在新聞上看到電信三雄搶標頻譜,指的就是NCC在平地上開放幾條軌道,電信三雄必須去搶標軌道,才能協助客戶傳輸訊息。
在過去4G時代,我們使用的頻譜大致落在700MHz~2.6GHz之間,但隨著連網裝置數量快速成長,頻寬漸漸不敷使用。為了提高頻譜使用率,也就是讓同一條軌道通行更多火車,產業界也研發出各種多工技術,包括分時多工接取(TDMA)、分頻多工接取(FDMA)、分碼多工接取(CDMA)......等,解決網路塞車的問題。
但在5G時代,因採用毫米波技術,將具有「大頻寬」、「低延遲」、「高傳輸速率」三大特性(詳見【圖一】)。「大頻寬」,亦即能同時容納更多連網裝置,有助推動物聯網及智慧城市等未來趨勢;「低延遲」,亦即資訊傳輸的反應時間極短,有助實現自駕車,減少道路行車風險;「高傳輸速率」,則有助推動大數據及AI雲端運算,以及雲端影音產業發展。
【圖一】5G三大特性及終端應用場景
但毫米波的問題是,受限物理特性,波長短、傳輸損耗高、穿透性差,因此覆蓋率較低,因此產業界開發出大規模陣列天線技術與小型基地台,強化毫米波的能量與指向性,並提高5G網路的覆蓋率。
大規模陣列天線技術,亦即使用更多天線來提高訊號強度,所以未來基地台或終端裝置無線通訊模組,都會搭載更多天線,連帶提高RF元件的使用量,包括PA、LNA、交換器、天線、濾波器/雙工器......等。以4x4 MIMO無線通訊模組為例,使用的RF元件數量是單一模組的16倍,且體積不能增加太多,故單顆元件必須做得更小,墊高了廠商的進入門檻。
根據Yole Developpement預估,2016年5G射頻元件市場規模約101.2億美元,在2022年將成長至227.8億美元,CAGR=14.5%,其中以交換器、濾波器、天線成長動能較強(詳見【圖三】)。
射頻趨勢
首先就是模組化。射頻前端模組化是產業發展趨勢,蘋果等一線旗艦機型使用大量模組化射頻零組件。射頻前端各類零件獨立製作相對容易,一旦要整合成單一晶片,廠商就要具備強大的射頻設計能力。
而射頻模組化將帶來不少優勢,如解決多頻段帶來的射頻複雜性挑戰,提供全球載波聚合模組化平台,縮小 RF 元件體積,加速手機產品上市時間等。
特別的是,mmWave 模組化是採取 AiP 模組方案,使射頻前端模組整合天線及射頻前端功能。AiP 是利用封裝材料與工藝將天線與晶片整合封裝,實現系統級無線功能的技術,具備縮短路徑損耗、性價比高、符合小型化趨勢等優點。從 AiP 產業鏈結構來看,主要的模組設計方案廠商是高通、三星,主要製造和封測廠商則有台積電、日月光等。
資料來源: Hindawi,AiP 模組
資料來源: Hindawi,AiP 模組
目前模組化在高階旗艦機種較常見,中、低階手機大多獨立製作,只有少部份零件有做整合,不過隨著成本下滑,射頻模組化也會開始向中、低階手機滲透。
第二個趨勢則是 PA 材料改採氮化鎵 (GaN)。目前射頻 PA 材料可以分為 CMOS、GaAs、GaN。以 CMOS 製成的 PA 早於 2000 年就已經出現,在 2G 時代進入手機市場,目前大多數電子產品中的零件都是基於矽的標準 CMOS 工藝製作,技術成熟且產能穩定,但已無法因應現今通訊傳輸需求。
而 GaAs 材料可適用於超高速、超高頻電子零組件,比矽零件更適合應用在高 功率的場合。目前行動通訊 3G/4G 主要採用 GaAs 材料製作 PA,與第三代半導體材料 GaN 相比,GaAs 技術成熟穩定可靠,仍是民用商業市場主流。
但做為第三代半導體原料 GaN 則能實現更高的電壓,減少損耗,可提升效率,進一步縮減晶片尺寸,現階段最大劣勢只是成本過高。因此在軍用,及大型基地台 GaN 已經是主流。隨著技術演進加速,未來 GaN 將有機會滲透至手機市場,成為高射頻、大功耗應用的主流方案。
第三個趨勢則是濾波器將從金屬腔體朝陶瓷介質轉變。基地站的濾波器在 2G、3G 和 4G 時代的主流由金屬腔體濾波器為主。金屬腔體濾波器由金屬整體切割而成,因此結構牢固,但缺點就是體積大,損耗高。
但進入 5G 世代為因應越來越複雜的無線干擾環境,金屬腔體已受到限制,而陶瓷介質濾波器應運而生。陶瓷材料損耗更低、介電常數更高、頻率溫度系數和熱膨脹系數更小,所以可以承受更高功率。就結果而論,陶瓷介質濾波器體積小,損耗小,現階段最大缺點就是成本高。但隨著新建 5G 基地台數量增加,3G/4G 基地台數量趨於飽和,金屬腔體濾波器比重將減少,陶瓷介質濾波器滲透可望加速。
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