芯片世界观︱射频器件升温，RF MEMS/RF SOI两种工艺的博弈才刚刚开始？

RF器件和制造工艺市场正在升温，这种态势对于智能手机中使用的两个关键组件 - 射频开关器件和天线调谐器尤为明显。

射频器件制造商及其代工合作伙伴继续推出基于RF SOI工艺技术的传统射频开关芯片和调谐器，用于当今的4G无线网络。最近，GlobalFoundries为未来的5G网络推出了45nm RF SOI工艺。RF SOI是绝缘体上硅（SOI）技术的RF版本，该工艺利用了内置隔离衬底的高电阻率特性。

为了改变市场格局，一家无晶圆厂IC设计公司Cavendish Kinetics正在推出基于替代工艺RF MEMS的新一代RF产品和天线调谐器。

RF开关和调谐器是手机RF前端模块中的两个关键组件。RF前端集成了系统的发送/接收功能，其中，RF开关对无线信号进行路由，调谐器帮助把天线调整匹配到任何频段上。

即便不考虑RF设备和工艺类型的变革，当今RF市场的挑战也足以令人望而生畏。Cavendish Kinetics公司总裁兼首席执行官Paul Dal Santo表示："几年前，RF还是一项相当简单的设计，但是现在，事情已经发生了大大的改变。首先，您的射频前端必须处理范围非常广泛的频带，从600MHz一直延伸到3GHz。随着更加先进的5G技术的到来，频段将进一步上延，达到5GHz至60GHz。这给前端RF设计师带来了一些难以置信的挑战。"

手机OEM厂商必须正面这种挑战，做出权衡，考虑选择新的组件。具体来说，对于RF开关和天线调谐器而言，可以归结为两种技术 - 基于RF SOI工艺和RF MEMS工艺的器件。

RF SOI是现在服役的制造工艺。基于RF SOI工艺的器件可以满足当下的要求，但它们开始遇到一些技术问题。除此之外，市场还存在价格压力，随着器件从200mm迁移到300mm晶圆，也会引发一些问题。

相比之下，RF MEMS具有一些有趣的特性，并在某些领域取得了进展。事实上，Cavendish Kinetics公司表示，其基于RF MEMS工艺的MEMS天线调谐器正在被三星和其他OEM使用。

Strategy Analytics的分析师Chris Taylor表示："RF MEMS能够提供非常低的导通电阻，从而降低插入损耗。但RF MEMS缺乏生产追踪记录，大批量的无线系统OEM厂商将不会盲目对新技术和小型供应商买单。当然，相较于RF SOI器件，RF MEMS的价格必须有足够的竞争力，但还有一个主要的障碍是，OEM厂商需要验证产品可靠性，需要可靠的供应来源。"

射频前端
智能手机是混合了RF开关、天线调谐器和其他组件商业环境的大市场，它的数据值得一看。根据Pacific Crest Securities的数据，2017年，全球智能手机出货量预计将增长1％，而在刚刚过去的2016年，智能手机的年增长率也仅有1.3％。

另一方面，根据YoleDéveloppement的数据，智能手机的RF前端模块/组件市场规模预计将从2016年的101亿美元跃升至2022年的227亿美元。据Strategy Analytics分析，2016年，RF开关设备市场规模为17亿美元。

随着OEM厂商继续在智能手机中增加更多RF组件，RF市场正在不断增长。"多频段LTE也正在向低端设备普及，"Strategy Analytics的Taylor说。"RF开关组件市场正在增长。"

在手机网络转向4G或长期演进（LTE）的过程中，每台手机的RF开关设备数量都有所增加。"我们谈论的出货量单位非常巨大，"Taylor说。"现在，大多数RF开关设备(并非全部）应用在手机上，其中绝大多数使用了RF SOI制造工艺。RF MEMS仍然是新兴事物，相对于RF SOI开关来说微不足道。"

尽管RF开关的出货量巨大，但市场竞争激烈，价格压力较大。Taylor说，这些设备的平均销售价格（ASP）为10至20美分。

同时，在一个简单的系统中，RF前端由多个组件组成 - 功率放大器、低噪声放大器（LNA）、过滤器和RF开关。

GlobalFoundries的技术人员Randy Wolf在最近的一个演讲中说："功率放大器的主要目的是确保有足够的能量，可以让您的信号或信息到达目的地。

LNA放大来自天线的小信号。RF开关将信号从一个组件路由到另一个组件。"过滤器可防止任何不需要的信号进入后端，"Wolf说。

在手机上，2G和3G无线网络的射频功能非常简单。2G只有四个频段，3G有五个频段。但4G有40多个频段。4G不仅融合了2G和3G的频段，而且还搭载了一系列4G频段。

除此之外，移动运营商部署了一种称为载波聚合的技术。载波聚合将多个信道或分量载波组合到一个大数据管道中，在无线网络中实现更高的带宽和更快的数据速率。

为了应对多个频段和载波聚合，OEM厂商需要复杂的RF前端模块。今天的RF前端模块会集成两个或多个多模多频带功率放大器，以及多个开关和过滤器。"这取决于所采用的RF架构。功率放大器的数量由手机可寻址的地区频带决定。"Qorvo移动战略营销经理Abhiroop Dutta表示："使用单个SKU在全球范围内应对多地区/全球蜂窝市场的典型"全网通"手机，频段覆盖面非常广泛。在这种手机典型的集成RF前端模块的实现中，一个工程选择是使用具有分频带模块的射频前端，以应对高、中、低频带的不同要求。"

相比之下，还有另外一种情况，智能手机OEM厂商可能会针对特定市场设计专用手机。"一个例子是针对中国大陆市场的手机。在这种情况下，RF前端需要支持该地区特有的频段，"Dutta说。

根据Cavendish Kinetics的说法，LTE手机上有两种天线，主集天线和分集天线。基本上，主集天线用于发射/接收功能，分集天线用于提高手机的下行数据速率。

在实际操作中，信号首先到达主集天线，然后移动到天线调谐器上，这允许系统调整到任何频带。然后，信号进入一系列射频开关。"它转换到您要使用的适用频段说，比如GSM、3G或4G，"GlobalFoundries的Wolf说。"从那里，信号进入滤波器，然后是功率放大器，最后到达接收器。"

考虑到这种复杂性，手机OEM厂商面临一些挑战，功耗和尺寸至关重要。"由于这种复杂性，信号在前端会遭到更多损失，这对您的接收机的总体噪声系数将造成负面影响，"Wolf说。

显然，RF开关在解决这个问题方面起关键作用。总的来说，智能手机可能包含10多个RF开关设备。基本的RF开关采用单刀单掷（SPST）配置。这是一种简单的on-off型开关。

今天，OEM厂商使用更复杂的开关类型。Ron * Coff是RF开关的关键指标。根据Peregrine Semiconductor，"Ron * Coff是反映RF信号通过处于"导通"状态的开关时发生多少损耗（Ron或导通电阻），以及RF信号在开关处于"关闭"状态下通过电容器泄漏多少能量（Coff或关断电容）的比率。"

总而言之，OEM厂商需要的是没有插入损耗和实现良好隔离的RF开关。插入损耗涉及信号功率的损失。如果RF开关没有实现良好的隔离，系统可能会遇到干扰。"总的来说，射频前端面临的挑战是支持日益增长的性能需求，并紧跟不断发展的标准和日益增加的频带覆盖的步伐。不仅如此，由于手机变薄，RF解决方案的封装尺寸也在缩小。Qorvo的Dutta表示，插入损耗、天线功率和隔离等关键指标仍然是推动RF产品组合解决方案不断发展的驱动力。