BAW濾波器助力5G，實現高質量通信和更高效率

隨著移動互聯網和物聯網的飛速發展、越來越多智能設備的出現,在AR/VR、超高清視頻、無人駕駛、遠程醫療、智能穿戴、智能家居等各個領域都會產生極大的通信需求。用戶需求的持續增長，對傳輸速率,數據量,電池續航時間都提出了很高的要求。4G 網絡無法滿足這些需求,所以 5G 技術應運而生。

5G NR——技術創新和產業革

5G是第五代通信技術,是4G的延伸,主要特點是波長為毫米級,超寬帶,超高速度,超低延遲。

移動通信從1G(模擬通話)->2G(數字通話)->3G(語音、數據、圖片)->4G(語音、數據、圖片、在線視頻、在線游戲等)->5G(4G應用+萬物互聯)。

3GPP Rel-14包括5G場景與需求、新一代系統架構、無線接入技術研究等項目。2016年10月,3GPP PCG 會議選擇將“5G”作為R15和后續版本的品牌,包括新空口與LTE演進。在5G新空口方面,2018年3月,完成了第一版的non-standalone標準。2018年9月,完成第一版的standalone標準(R15),支持eMBB和URLLC場景。2019年12月,計劃完成標準第二版本(R16)。在R15版本中,3GPP定義了5G兩大FR(頻率范圍)。

FR1:從450MHz 到 6000MHz,頻段號從1到255,通常指的是Sub-6Ghz,系統最大帶寬100MHz。

FR2: 從24250MHz到52600MHz,頻段號從257到511,指的是毫米波mmWave(盡管嚴格的講毫米波頻段大于30GHz),系統最大帶寬400MHz。

與LTE不同,5G NR頻段號標識以“n”開頭。

2019/6/6工信部頒布的中國5G商用牌照如下:

全球各國對于5G 頻譜劃分(主要指先行的國家)

美、日、韓:積極開展和部署700MHz和28GHz。對應室外廣覆蓋和室內熱點的局域覆蓋。

在商場、車站、地鐵、樓宇等人流密集區域重點發展28GHz毫米波,在農村,城市郊區等空曠的地方部署700MHz的基站,實現大面積廣域覆蓋。

中、歐:重點發展Sub-6GHz中頻段,首要目標是連續性廣域覆蓋。中國的700MHz頻譜目前用于廣電CATV通訊,后續應該會用于5G。

5G衍生的技術創新

1)毫米波通信

利用毫米波進行通信的方法叫毫米波通信。毫米波的波長從1毫米至10毫米、頻率從30GHz至300GHz。

λ= V/f (V=C 光速,f 頻率越高, λ 越短)

頻率越高(波長越短)越趨近于直線傳播(繞線能力越差),且衰減越嚴重。毫米波的波長從10毫米至1毫米、頻率從30GHz至300GHz。因此,5G使用高頻段會使其覆蓋能力大大減弱。

毫米波優點:超帶寬、波束窄、干擾少、傳輸質量高、元件尺寸小。

2) 小基站技術

由于高頻電磁波衰減嚴重,在有遮擋物時尤其明顯,傳播距離更短。為了信號的穩定性和連續性,對基站的需求將遠遠大于4G。小基站相對于宏基站,一個宏基站可以覆蓋一大片區域,小基站體積小,數量多,可以隨處安裝靈活布局,未來甚至可能隱藏于街角各個角落,完全融入人們的生活,滿足各類場景需求。

小基站的優勢:低功耗、小巧的外形、完整的基站(整個系統包含BBU + RRU +可選路由設備)、采用可工作于授權頻譜和非授權頻譜的蜂窩移動通信技術、包含室內和室外部署。

3) Massive MIMO與波束型技術

MIMO(Multiple Input Multiple Output)即多輸入多輸出,通過布置天線陣列,使每一對天線可以獨立傳送信息實現基站與通訊設備間的信息傳輸。在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線,在不額外占據頻譜資源的情況下提高信道容量,達到有效利用。傳統MIMO系統僅支持8個天線端口,Massive MIMO系統中,基站配置的天線將會數倍增加,目前(32/64/256)陣列天線在大量應用設計中,對目標接收機調制各自的波束,信號隔離互不干擾,充分發揮了系統的空間自由度,大大提高頻譜利用效率。

波束成形是天線技術與數字信號處理技術的結合,目的用于定向信號傳輸或接收。指根據特定場景自動調整天線陣列輻射模式的能力。波束成形技術是MIMO的一種應用形式,能夠使一個頻段內用戶在互不干擾的情況下同時傳輸數據,達到在接收端的信號疊加,從而提高接收信號強度的目的。該技術使能量可以集中到用戶,不向其他方向散射,建立可靠連接。

4) 新型多載波技術

載波,是指載有數據的特定頻率的無線電波。多載波即是采用多個載波信號(將信道分成若干正交子信道),將需要傳輸的數據信號轉換成并行的低速子數據流,然后調制到在每個子信道上進行傳輸。采用多載波技術主要是為了配合大規模MIMO技術,具有頻譜效率高、靈活性強以及復雜度低等特點。

載波聚合技術是將多個載波聚合成更寬的頻譜,同時把不連續的頻譜碎片聚合到一起,獲得更大的帶寬,傳輸速度大幅度提升,降低延時。4G中它的應用可以使2-5 個LTE中的成員載波(帶寬小,通常為20M)聚合在一起,實現最大 100MHz 的傳輸帶寬。

隨著移動互聯網和物聯網的飛速發展、實現5G網絡之后,最直觀的感受就是網速有了質的提升,從4G的最快12.5MB/s將上升至20Gbps。這樣的速度會完全改變我們的生活,從2G的傳統通訊到3G時代的QQ,再到現如今的微信,抖音短視頻等軟件。不久到來的5G更是有無限可能,虛擬現實、超高清視頻,影像投放,遠程醫療等都是可以實現的,畢竟,未來已至。

射頻前端器件在5G時代價值將繼續上升

射頻前端包括射頻功率放大器、射頻低噪聲放大器、射頻開關、射頻濾波器、雙工器,隔離器等器件。

5G技術升級的主要動力來源于對相關產品的低功耗、高性能、低成本的需求。

1) 網絡通訊升級對射頻前端性能要求越來越高

射頻前端是系統必備的基礎性零部件,更是移動智能設備的核心組成部分。無論何種通信協議,何種通訊頻率,射頻前端不可或缺。

移動網絡從2G的GSM,3G的WCDMA,再到4G的LTE-Advanced,每一代的更新換代都帶來新的通訊協議,復雜程度也以指數倍提升,對手機內的射頻系統要求也更高、更嚴格。5G時代將會帶來一個全新的網絡架構,另外Massive MIMO技術、載波聚合技術等,對設備的射頻器件性能都提出了更高的要求。

帶寬:即消費者說的網速,即單位時間內的比特信息傳輸總量,下載速度就是由帶寬決定的。2018年中國移動 4G LTE 平均下載速度是 30Mbps,5G 的用戶帶寬最高將達到 1Gbps(1024Mbps)。峰值速度會達到20Gbps。縱向對比歷史,設計速度上來看 2G 比 1G 快了 20 倍,3G 比 2G 快了 20 倍,4G 比 3G 快了 10 倍,而 5G 相對 4G 的百倍帶寬將是歷史上提升最大的一次;這樣的速度是 4K 清晰度直播流媒體(25Mbps)所需求的 40 倍。5G 相對 4G 的百倍帶寬將是歷史上提升最大的一次。這離不開5G系統的高帶寬。5G系統的高帶寬對功率放大器的要求尤為嚴格。

延遲:5G 對連接質量的提升,遠不只體現在帶寬上,5G 網絡的延遲才是重頭戲。網絡通信永遠都繞不開延遲這一關。作為反映數據從被發送到被接受的時間指標,延遲的重要性并不比帶寬底,如果說帶寬決定的是網絡的下載速度,那么延遲決定的就是網絡的反應速度。

從數據上來看,目前最先進的 4G LTE 平均延遲大概在 90 毫秒,普通的有線網絡大概是 50-120 毫秒,而 5G 的目標延遲是 10 毫秒以內,其設計目標約為 4G 的 1/50,并且遠遠得低于目前的普通有線網絡。我們有理由相信,5G 的超低延遲將會是一顆引爆互聯網潛能的核彈!

2) 網絡通訊升級對射頻前端數量要求越來越高

我們以智能手機為例,在它的射頻前端系統中,射頻前端包括SAW/BAW濾波器、雙工器、功放、開關等器件。從1G、2G、3G、4G再到5G,工作頻段越來越多,同時要求通訊制式向下兼容以滿足多模多頻。不同頻段對PA,LNA,濾波器,天線開關,雙工器等需求越來越多。

手機銷量上升與頻段增加共同促進射頻前端數量增長

根據相關資料統計,從2010年至2016年全球射頻前端市場規模以每年約12%的速度增長, 2016年達114.88億美元,未來將以12%以上的增長率持續高增長。2020年接近接近190億美元。在過去的這些年間,通信行業從2G(GSM/CDMA/Edge)->3G(TD-SCDMA/CDMA2000/WCDMA), ->4G(TD-LTE/FDD-LTE),2次重大網絡通訊升級對射頻前端要求越來越高,射頻前端量價齊升。伴隨著5G商業化的臨近,5G標準下現有的移動通信,物聯網通信標準將統一,因此射頻前端芯片的應用領域會進一步放大。

BAW/SAW濾波器大有可為

5G工作于高頻,對射頻前端的器件高頻性能要求更高。與4G相比,采用更高的頻率。而高頻電路相比于中低頻電路需要從材料到器件,從基帶芯片到整個射頻電路進行重新考量和設計。高頻電路基本上都需要針對高頻信號以及產品結構進行定制,且呈現小型化的特點。此外,高頻電路對器件的尺寸以及電路布局都要做精細化考量。

濾波器是用來消除干擾和過濾雜波的器件。智能手機、衛星導航,小基站等射頻前端系統都需要濾波器才能正常工作,將帶外干擾和噪聲濾除以滿足射頻系統和通訊協議對于信噪比的需求。未來在智能手機終端中,SAW/BAW濾波器占據手機射頻前端一半以上的價值量,是射頻前端的重要部件。

SAW 聲表面波濾波器

SAW在壓電基片材料表面傳播。基本結構是壓電材料拋光面上制作2個叉指型換能器。分別作為發射換能器和接收換能器。在對壓電襯底施以電壓(改變晶體內部原子結構),晶體將發生機械形變,發射換能器將電能轉換為機械能。當這種晶體被機械壓縮或展延時,接收換能器將聲信號轉換為電信號輸出。濾波過程是在電到聲和聲到電的轉換中實現,可以將SAW濾波器等效為一個兩端口的無源網絡。

BAW體表面波濾波器

BAW在壓電材料體內垂直傳播。最基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜。貼嵌于壓電薄膜板頂、底兩側的金屬對聲波實施激勵,使聲波從頂部表面反彈至底部,以形成駐聲波。而板坯厚度和電極質量決定了共振頻率。得到最小loss和最大Q值。

在BAW濾波器大顯身手的高頻,其壓電層的厚度必須在幾微米量級,因此,要在載體基板上采用薄膜沉積和微機械加工技術實現諧振器結構。

BAW:(BAW-SMR器件)和 (FBAR濾波器)

BAW-SMR濾波器,為使聲波不散漫到基板上,把聲波反射到壓電層里面。通過堆疊不同剛度和密度的薄層形成一個聲布拉格(Bragg)反射器。這種方法稱為牢固安裝諧振器的BAW或BAW—SMR器件。反射器由好幾層高低交替阻抗層組成,比如第一層的聲波阻抗大,第二層的聲波阻抗小,第三層聲波阻抗大,而且每層的厚度是聲波的λ/4,這樣大部分波會反射回來和原來的波疊加。這種結構整體效果相當于和空氣接觸,大部分聲波被反射回來。

FBAR濾波器是film builk acoustic resonator濾波器簡稱,譯為薄膜腔聲諧振濾波器,它不同于以前的濾波器,是使用硅底板,借助MEMS技術以及薄膜技術而制造出來,現階段FBAR 濾波器已經具備了略高于普通SAW濾波器的特性。薄膜技術是從基材后面蝕刻到表面,形成懸浮的薄膜(thin film)和腔體(cavity)。

5G的高頻率和高性能,使得BAW的需求4G LTE基礎上大規模爆發。

國產替代悄然勃發

需求量最大的濾波器遭美日企業長期壟斷,國產占有率不足2%。全球終端市場的中高端濾波器供應已被前五大廠商瓜分了95%的市場份額,而國內濾波器產業起步較晚。當前國內濾波器廠商主要局限于中低端SAW濾波器的突破,而相對于5G終端高端需求BAW濾波器或者FBAR濾波器,國內已開始有所布局,目前已有部分產品。

潤欣科技代理諾思ROFS濾波器

5G時代,氮化鎵或將迎來快速發展

氮化鎵,GaN,英文名Gallium nitride,是氮和鎵的化合物,是一種直接能隙的半導體,自1990年起常用在發光二極管中。此化合物結構類似纖鋅礦,硬度很高。氮化鎵的能隙很寬,禁帶寬度為3.4電子伏特,禁帶寬度越大,耐高電壓和高溫性能越好;電子飽和遷移速度達2.7107cm/s,高電子飽和漂移速度與低介電常數的半導體材料具有更高的頻率特性。

在射頻和功率應用中,氮化鎵(GaN)技術正日益盛行已成為行業共識。

由于5G需要大規模MIMO和Sub-6GHz部署,需要使用毫米波(mmWave)頻譜,要面對一系列的挑戰。GaN技術可以在sub-6GHz 5G應用中發揮重要作用,有助于實現更高數據速率等目標。高輸出功率、線性度和功耗要求正在推動基站部署的PA從使用LDMOS技術轉換到GaN,GaN為5G sub-6GHz大規模MIMO基站應用提供了多種優勢:

GaN在3.5GHz及以上頻率下表現良好,而LDMOS在這些高頻下受到挑戰。

1)GaN具有高擊穿電壓,高電流密度,高過渡頻率,低導通電阻和低寄生電容。這些特性可轉化為高輸出功率、寬帶寬和高效率。

2)采用Doherty PA配置的GaN在100W輸出功率下的平均效率達到50%~60%,顯著降低了發射功耗。

3)GaN PA的高功率密度可實現需要較少印刷電路板(PCB)空間的小尺寸。

4)在Doherty PA配置中使用GaN允許使用四方扁平無引線(QFN)塑料封裝而不是昂貴的陶瓷封裝。

5)GaN在高頻和寬帶寬下的效率意味著大規模MIMO系統可以更緊湊。GaN可在較高的工作溫度下可靠運行,這意味著它可以使用更小的散熱器。這樣可以實現更緊湊的外形。

GaN的光電器件和電子器件在光學存儲、激光打印、高亮度發光二極管以及無線基站等應用領域具有明顯的競爭優勢。并預計在未來幾十年內以20%復合年增長率發展。根據相關機構研究數據,2014年基站功放射頻功率器件市場規模為11億美元,其中GaN占比11%,而LDMOS(金屬氧化物)占比88%。2017年,GaN市場份額預估增長到了25%,并且預計繼續保持增長。GaN預計到2025年將主導RF器件功率市場。