来源:半导体产业园
5G/物联网时代,不仅仅是基带芯片相互竞争,更是射频前端芯片的大规模扩张时期,因为只要是物联网,只要涉及到无线电发送,就肯定少不了射频前端。所以随着5G的到来,射频前端也会迎来大规模爆发。这也是我们国产芯片商的一个机会。
射频前端构成好,我们先看一个图~这个图中我尽量画出了主要的射频前端芯片(基带芯片不属于射频前端芯片哦)。图中我画了2条通路来解释射频模块。一个是发射通路,就是你上网,或者打电话时,将信号发送出去的通路。一个是接收通路,是网站服务器发送数据给你的通路。
射频器件是5G技术或者说是无线连接技术的核心模块,无论是手机上网,还是NFC,蓝牙,FM广播都离不开射频模块,所以说,射频模块是手机的重要组成部分。而且在5G的推动下,物联网的发展也会给射频模块带来爆发式增长。
我们通常说的射频模块也叫做射频前端,它包括基带芯片以后一直到天线之前的这部分芯片。我们从发送端开始聊。我们上网或者打电话时,手机先将语音信号转换为二进制编码(上网的发送请求本来就是二进制编码,不用转换)。然后传送到基带芯片里面进行转码,编码,设置通信协议,调频等等。然后将这些编码好的信息放到射频模块,转换成为天线能够发送的信息。最后传送给天线发送出去。到此为止,手机部分的功能就完成了,发送出去的信号,经过通信运营商/通信设备商的基站传输接力,传向世界各地。
功率放大器PA(Power Amplifier):被编码的信号从基带芯片中出来,第一个遇到的就是功率放大器芯片。PA芯片的作用只有一个,那就是放大信号,因为只有将信号的功率放大后才可以通过天线发出去。不同的频率的信号,需要不同的功率才可以发送出去,所以就需要把调制好的信号经过PA放大。
原来的时候PA芯片和基带芯片的接口不是公用的,所以每个公司的PA芯片和基带芯片供应商存才很大的通用性问题,但是在联发科推出标准接口之后,涌现出很多PA公司。中国的PA厂商也是在3G,4G时代发展迅速,涌现了诸如汉天下,中普微,RDA等一批厂商。但是产品相对低端,很难打入像华为,苹果,三星,OV这样的主流手机厂商,即使使用,也是使用3G或者2G频段的PA。在4G频段的PA一般被高通,英特尔,华为,MTK垄断
在5G到来时,我相信也会涌现很多优秀的PA公司,主要是因为5G技术是中国主导的,而且中国政府也正在大力发展半导体技术的发展,所以会有很多公司会进入这个行业的研发。现有的公司也会在5G手机中占有一定地位。还有一个原因就是砷化镓技术在中国孕育成型,近几年中国兴建了很多晶圆制造厂,不乏有一些是专注砷化镓技术的代工工厂。这向技术不是以硅为衬底,而是以砷化镓为衬底,这样制造出来的功率芯片频率特性好,噪声小。是PA芯片代工的关键技术。还有一个原因就是4G技术壁垒被打破,5G技术的到来最受益的就是对于一些中小企业PA芯片,终于有机会进入高端手机里面,虽然只可能是2G,3G,4G频段的PA芯片,但是在一部手机中的占比还是提高的,所以我也相信5G技术会给一些中小企业带来机会。
滤波器:当接收到的信号经过天线收集后,必须要经过一个过程就是滤波。由于电磁波在大气或基站之间传播时,都会加入很多噪声(多余频率的电磁波),所以必须用滤波器过滤出我们需要的频率。简单来说,滤波就是一个筛子,把这些多余频率的电磁波筛除,只保留我们需要的频率。
在通信系统中,这种滤波主要分两种,SAW(surface acoustic wave)和BAW(bulk acoustic wave)滤波器。大家还记得我们上一期聊5G时候,那个不同频段的概念吗?(没看过的请戳这里第一次把通信和半导体的关系说明白)。其中SAW滤波器主要应用在低频(一般是小于2GHz),BAW滤波器主要应用在高频(大于2GHz)。
现在滤波器芯片主要由两个梯队,第一梯队是以Broadcom,Qorvo,Skyworks为首的美系厂商,第二梯队是以Murata,TDK,TaiyoYuden为首的日系厂商。中国企业主要竞争低端市场,主要集中在好达电子,26所和55所等公司,但是都没有形成成规模,不具备国际竞争力(说实话,我觉得是不具备任何竞争力,据我所知没有像样的手机厂商使用)。在5G技术中,有一个载波聚合技术,他是需要把很多小频段集中起来,构成一个大频段。在这项技术中,对滤波器的要求更加严格,不论国外的传统滤波器大厂,还是国内小公司,大家都是同一起跑线,这是中国公司弯道超车的好机会。
LNA(Low Noise Amplifier)低噪声放大器和双工器双工器的功能在上一篇中已经介绍过了,这里简单的说一句,双工器是区分发射信号和接受信号。除了双工器,还有三工器,四工器等等,都是这个目的。区别是处理的频段不一样。
在滤波之后,需要将接受到的信号放大,然后才可以送进基带芯片转码,要不然信号太小,直接送到基带芯片里面会不能识别。这个将信号放大的芯片就是LNA芯片。
其实单独设计双工器或者LNA芯片的公司很少,大部分都是集成在滤波器或者PA中,国内厂商做这块比较出名的是韦尔股份,卓胜微等,但都是应用在低端手机。
射频开关/天线开关射频/ 天线开关故名思议,就是开关,控制天线的开关。大家可以把它想象成一个门,当门关闭的时候,天线既不能发送信号,也不能接受信号。当门打开的时候,就可以发送或者接受了。
但是这里有几个比较重要的参数,还是有必要介绍一下。要不然一些文章中,只写参数名字,却不给你讲分别代表什么。对于射频开关来讲,有四个参数比较重要:隔离度,插入损耗,开关时间和线性度。
- 隔离度:表示的是这个门关闭时,有没有漏网之鱼(我相信你肯定明白了),隔离度越高,开关特性就越好。
- 插入损耗:就是在这扇门打开时,信号从之间经过的损耗,当然越小越好。
- 开关时间:就是这扇门从关闭到打开,或者从打开到关闭所用的时间,这个时间,越短越好。
- 线性度:这个概念还是比较难理解的。官方解释是在最大功率输入时,1dB压缩点,或者谐波抑制比来表示。算了,如果不知道dB的,不知道谐波的概念也没关系。你可以把它理解为线性度越高,这道门就越容易被手机控制,不容易和其他设备产生干扰。
5G相比较与4G,有三个主要变化。第一,更多的通信频段。第二,使用MIMO多天线技术。第三,使用载波聚合技术。第一条我们在上一期已经聊过了。第二条是天线技术,我们后面几期再聊。第三个就是载波聚合,载波聚合技术对射频影响最大的就是射频开关芯片。由于载波聚合技术是将多个小频段整合为一个大频段,所以对于原来的射频开关特性要求更高。对于线性度的要求达到IIP3>90dB的要求。这在半导体SOI工艺中很难实现,所以只能转到MEMS来制作。这对于国内半导体厂商来讲也是一个巨大机会。