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          RF-SOI在射頻前端設計中的技術應用詳解

          2022-08-05 18:26:25 來源:EETOP原創

          得益于5G技術的快速發展,一個移動、智能、互聯的新世界正越來越清晰的呈現在我們眼前。隨著萬物互聯時代的到來,聯網設備正無限增加,這就需要更大的網絡容量來解決連網的問題。除了5G、5G Advanced、6G移動通信技術的不斷迭代更新之外,與5G類似,無線局域網和Wi-Fi的復雜性也不斷增加。目前,Wi-Fi 6E的頻率已經提升至6GHz。而據行業預估,Wi-Fi 7有效帶寬將是Wi-Fi 6的2倍,可用頻譜將是Wi-Fi 6的3倍。

           

          每次通信時代迭代更新,都會對前端模塊的設備數量與性能提出越來越高的要求。射頻前端是調制解調器和終端天線間的一套射頻組件,影響并管理無線發送和接收的全部信號。隨著智能設備、無線網絡技術的演進,對器件內射頻系統的性能和復雜度都大幅提升。這些采用不同材料、不同工藝生產的器件該如何更好的集成在一起,射頻系統未來如何持續提供更高的頻率和更高的效率,是當前面臨的主要挑戰。

           

          射頻前端模組化已成必然趨勢

           

          射頻前端模組化已經成為未來的發展趨勢。當幾種不同的射頻系統需要在內部共存時,線性方面的限制就越多,系統共存的限制也越多,由此給射頻前端模塊化帶來了許多挑戰。


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          Luis Andia,Soitec移動通信部門高級業務發展經理


          Soitec移動通信部門高級業務發展經理Luis Andia認為,有兩個挑戰尤為重要。

          • 首先是溫度管理。由于模塊密度相對較高,并且裸片位置非常接近,溫升的影響就非常明顯。比如當功率放大器溫度升高時,溫升對相鄰裸片的性能就有可能產生降級影響;對于低噪聲放大器而言,它的噪聲系數可能會由于溫度變化而上升。所以溫度管理是一個非常大的挑戰。

          • 另一個挑戰是干擾,例如相鄰碼片信號之間的串擾。

           

          Luis Andia表示:“射頻前端現在變得越來越復雜,需要更多的更復雜的模塊來解決毫米波、5G、sub-6 5G的通信方面的需求?!贬槍厣?,Soitec的解決辦法是,選用一些能量密度相對較高的材料,如 RF-GaN,它可以幫助更有效地管理功率,從而最大限度地減少溫升。對于抗干擾,Soitec的 RFeSI 產品可以最大限度地減少相鄰芯片之間的串擾。同時,POI 以及基于它所設計的濾波器等產品,可以最大限度地減少相鄰系統之間的干擾,例如蜂窩和 Wi-Fi 共存于同一射頻前端。

           

          此外,Soitec還在為 RF-SOI 襯底開發新功能,以幫助保證高溫下的高線性度環境。例如,當汽車發生事故情況下的緊急呼叫。使用RF-SOI帶來的優勢之一,是當發生緊急事件時,用戶可以快速建立一個通信路徑,進行緊急服務溝通。Soitec的RF-SOI能夠提供汽車所需的熱切換(hot switching)和可靠性。

           

          隨著聯網設備越來越多,需要更大的網絡容量來解決連網的問題。這意味著要達到更高的頻率,也許是毫米波,但不僅如此。Luis Andia分享說:“不同國家和地區有不同的頻率規定。我們已經看到將Wi Fi的頻率提高到接近7GHz的努力;也看到政府正在探索使用10GHz、20GHz的蜂窩。未來幾年仍然會有一些變化,但原則都是一樣的。即頻譜用得越多頻率就越高,線性方面的限制就越多,系統共存的限制也越多。RF-SOI 的優勢就在于此?!?/span>

           

          RF-SOI的優勢

           

          RF SOI是一種具有獨特的硅/絕緣層/硅三層結構的硅基半導體工藝材料,它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實現了器件和襯底的全介質隔離。由于RF-SOI 能夠以最優的性價比實現更高的線性度和更低的插入損耗,它可以為人們帶來更快的數據速度、更長的電池壽命,和頻率更穩定、流暢的通信質量。

           

          Luis Andia分享到:“RF-SOI能夠取得巨大成功和獲得廣大市場的原因,主要是由于RF-SOI能夠保證非常高的信號的線性度和信號完整性?!睂OI+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進行比較,可以發現在這三種材料中,RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號失真度(distortion)是最低的,線性度是最高的。

           

          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)。這樣保證了襯底非常高的電阻率,進而帶來極高的線性度,不僅僅是為晶體管,也為其他的無源器件的提供高線性度。

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          這樣極高的線性度能夠幫助實現WiFi系統和蜂窩系統的共存,減少相鄰頻段的干擾。如上圖所示,Band的干擾和WiFi信號的相鄰通道泄露都被減少?;诟幌葳鍖?,就能實現非常好的隔離,不管是數字信號還是模擬信號,即便是在這個非常復雜的5G 毫米波的射頻前端,也能夠實現隔離,從而防止信號串擾。

           

          干擾可能出現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 優化襯底來構建大部分的射頻前端電路,無論干擾發生在何處,都將被最小化。如上圖(RFF非線性可能會在相鄰頻段產生干擾)所示,TCU 中使用的不同頻段相互彼此接近時,頻段泄漏將極大地影響相鄰頻段;而 RF-SOI 優化襯底將有助于最大限度地減少這種泄漏。采用富陷阱的 RF-SOI 襯底(例如 Soitec 的 iFEM-SOI 和 RFeSI 產品)可以最小化射頻信號的非線性二次和三次諧波。與非富陷阱的 RF-SOI (HR-SOI) 襯底相比,這種改善非常顯著。

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          模塊化是 NAD 設計的另一個關鍵要素,它提供的靈活性可用于滿足不同區域市場的需求。而將發射、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勢。

           

          智能手機中100%采用RF-SOI

           

          Luis Andia分享說:“如今,世界上100% 的智能手機都離不開Soitec 的RF-SOI技術?!?/span>

           

          智能手機融合了多樣化的功能,包括無線電發射和接收、數字處理、 存儲、音頻、電池 管理、攝像和顯示等,通過前端模塊能夠實現蜂窩電話和基站之間的射頻信號傳輸和接收。高性能開關的市場需求在2016年更加強烈。當時已經演進出了LTE技術,出現了4G以及許多復雜的模塊,也出現了天線調諧器。RF-SOI也隨之被應用到越來越多的天線調諧器以及開關當中。對于射頻前端的開關、射頻前端控制等器件,RF-SOI是使用得最多的。

           

          在智能手機中,射頻開關處于射頻前端的關鍵位置且必不可少,其插損、回損、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路有重要影響。射頻開關的主要作用在于通過控制邏輯,實現對不同方向(接收或發射)、不同頻率的信號進行切換,以達到共用天線、節省終端產品成本的目的。

           

          發展到今天的5G時代,智能手機需要更加復雜的模塊和更高的集成度。LNA也被集成到開關當中。5G 毫米波對于高集成度有著更強烈的需求。目前,接近100%的射頻開關都是基于Connect-SOI技術開發的,即RF-SOI或FD-SOI技術;超過80%的集成低噪聲放大器都是基于RF-SOI開發的,接近100%的天線調諧器是在用Soitec的SOI技術。據介紹,Soitec 的RF-SOI 產品已經成為行業標準, 在大規模生產中被用于制造射頻前端模塊的IC ,同時滿足芯片制造商對成本與性能要求。

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          RF-SOI在汽車領域的應用

           

          相比智能手機,現代汽車對于連接性的需求和依賴程度更高。目前的遠程通信不僅要使用蜂窩網絡,也非常依賴V2X的連接,還要使用專屬的近距離通信系統,包括WiFi、藍牙等。新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統正在助力移動服務范圍的進一步擴大。例如,它們通過提升車輛與道路基礎設施之間的無線交互來提高駕駛安全性,或是與其他車輛之間的無線交互來優化交通條件。車載無線連接還可以輕松實現車內的高質量視頻與音頻娛樂內容訪問,讓乘客體驗更加舒適。

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          與所有無線設備一樣,網聯汽車依賴多個射頻 IC 和射頻模塊來實現可靠的無線連接。大多數此類元件都包含在一個“盒子”中,通常稱為遠程信息處理盒(T-BOX),也稱為遠程信息處理控制單元(TCU)。如“TCU及內部射頻系統詳解”中能夠看到,一個集成的網聯車里的不同的射頻系統模塊。

           

          Luis Andia介紹說,藍色的都是建立在Soitec的SOI產品之上。Soitec的SOI產品能夠確保優秀的信號完整性(signal integrity),給汽車的連接帶來極高的可靠性和穩定性。TCU 中包含了用于傳感、定位以及數據存儲、處理與傳輸的功能模塊。在這些模塊中,網絡接入設備(NAD)中又包含了確保蜂窩網絡(4G LTE 或 5G)通信可靠與穩健所需的所有電路,而圖左下角提到的射頻前端即涵蓋在這其中。RF-SOI 為射頻前端模塊 (RF FEM) 提供了無可比擬的集成靈活度,這有助于將高性能低噪聲放大器 (LNA)、開關和功率放大器 (PA) 集成到單個芯片中,或集成到與濾波器和其他支持功能相關的高附加值多技術模塊中。

           

          隨著汽車連接需求的顯著增加,汽車行業在輔助駕駛和信息娛樂等系統方面具有巨大的市場增長潛力。汽車RFFE 的設計正變得更加定制化,并要求從一開始就考慮到特殊汽車相關的設計限制。

           

          結束語


          RF- SO不僅可以應用于智能手機上,許多日常生活中的設備上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI還用于每天使用的物聯網的設備上,比如說像智能耳機、手表等。而且也不僅僅適用于蜂窩通信,還包括5G、藍牙、WiFi以及超寬帶UWB。

           

          對于5G毫米波,當前也面臨著提高集成度等相似的挑戰。Luis Andia建議,對于毫米波,客戶可以根據最終應用選擇不同的射頻前端架構。一些客戶可能會優先考慮非常高性能的射頻前端,而其他客戶可能會犧牲部分性能以獲得更高的集成度和更小的芯片尺寸。對于第一種情況,可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射頻前端(PA + LNA + 開關 + 移相器 + 支持功能);而在第二種情況下,可以選擇將部分頻率轉換與 RFFE 集成到 FD-SOI 技術中。這最終取決于客戶的應用以及他們的競爭策略。   

           

          科技創新是Soitec的企業宗旨。世界上的創新分兩類,一類是顛覆式創新,一類是改進式創新。顛覆性創新是發明,是非常稀缺的。而成功企業,更多的則是在做改進式創新,是把現有的要素進行重新組合,從而創造出新的產品、技術和服務。那么,Soitec是如何創新的呢?

           

          RF-SOI是Soitec 的主流產品。不過,Luis Andia表示:“我們并不認為一項技術可以解決所有的問題。所以我們有很多的技術來相互補充。這就是為什么我們提供其他產品,RF-SOI和FD-SOI產品,我們也在Connect-SOI之外引入了用于濾波器的POI,和用于大功率的RF-GaN優化襯底來滿足不同的需求?!?/span>


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