RF-SOI在射频前端设计中的技术应用详解

2022-08-05 18:26:25 来源:EETOP原创

得益于5G技术的快速发展,一个移动、智能、互联的新世界正越来越清晰的呈现在我们眼前。随着万物互联时代的到来,联网设备正无限增加,这就需要更大的网络容量来解决连网的问题。除了5G5G Advanced、6G移动通信技术的不断迭代更新之外,与5G类似,无线局域网和Wi-Fi的复杂性也不断增加。目前,Wi-Fi 6E的频率已经提升至6GHz。而据行业预估,Wi-Fi 7有效带宽将是Wi-Fi 6的2倍,可用频谱将是Wi-Fi 6的3倍。

 

每次通信时代迭代更新,都会对前端模块的设备数量与性能提出越来越高的要求。射频前端是调制解调器和终端天线间的一套射频组件,影响并管理无线发送和接收的全部信号。随着智能设备、无线网络技术的演进,对器件内射频系统的性能和复杂度都大幅提升。这些采用不同材料、不同工艺生产的器件该如何更好的集成在一起,射频系统未来如何持续提供更高的频率和更高的效率,是当前面临的主要挑战。

 

射频前端模组化已成必然趋势

 

射频前端模组化已经成为未来的发展趋势。当几种不同的射频系统需要在内部共存时,线性方面的限制就越多,系统共存的限制也越多,由此给射频前端模块化带来了许多挑战。


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Luis Andia,Soitec移动通信部门高级业务发展经理


Soitec移动通信部门高级业务发展经理Luis Andia认为,有两个挑战尤为重要。

  • 首先是温度管理。由于模块密度相对较高,并且裸片位置非常接近,温升的影响就非常明显。比如当功率放大器温度升高时,温升对相邻裸片的性能就有可能产生降级影响;对于低噪声放大器而言,它的噪声系数可能会由于温度变化而上升。所以温度管理是一个非常大的挑战。

  • 另一个挑战是干扰,例如相邻码片信号之间的串扰。

 

Luis Andia表示:“射频前端现在变得越来越复杂,需要更多的更复杂的模块来解决毫米波、5G、sub-6 5G的通信方面的需求。”针对温升,Soitec的解决办法是,选用一些能量密度相对较高的材料,如 RF-GaN,它可以帮助更有效地管理功率,从而最大限度地减少温升。对于抗干扰,Soitec的 RFeSI 产品可以最大限度地减少相邻芯片之间的串扰。同时,POI 以及基于它所设计的滤波器等产品,可以最大限度地减少相邻系统之间的干扰,例如蜂窝和 Wi-Fi 共存于同一射频前端。

 

此外,Soitec还在为 RF-SOI 衬底开发新功能,以帮助保证高温下的高线性度环境。例如,当汽车发生事故情况下的紧急呼叫。使用RF-SOI带来的优势之一,是当发生紧急事件时,用户可以快速建立一个通信路径,进行紧急服务沟通。Soitec的RF-SOI能够提供汽车所需的热切换(hot switching)和可靠性。

 

随着联网设备越来越多,需要更大的网络容量来解决连网的问题。这意味着要达到更高的频率,也许是毫米波,但不仅如此。Luis Andia分享说:“不同国家和地区有不同的频率规定。我们已经看到将Wi Fi的频率提高到接近7GHz的努力;也看到政府正在探索使用10GHz、20GHz的蜂窝。未来几年仍然会有一些变化,但原则都是一样的。即频谱用得越多频率就越高,线性方面的限制就越多,系统共存的限制也越多。RF-SOI 的优势就在于此。”

 

RF-SOI的优势

 

RF SOI是一种具有独特的硅/绝缘层/硅三层结构的硅基半导体工艺材料,它通过绝缘埋层(通常为SiO2)实现了器件和衬底的全介质隔离。由于RF-SOI 能够以最优的性价比实现更高的线性度和更低的插入损耗,它可以为人们带来更快的数据速度、更长的电池寿命,和频率更稳定、流畅的通信质量。

 

Luis Andia分享到:“RF-SOI能够取得巨大成功和获得广大市场的原因,主要是由于RF-SOI能够保证非常高的信号的线性度和信号完整性。”对SOI+低电阻率晶圆、SOI+高电阻率晶圆、RFeSI SOI富陷阱+高电阻率晶圆这三类进行比较,可以发现在这三种材料中,RFeSI SOI富陷阱+高电阻率晶圆的信号失真度(distortion)是最低的,线性度是最高的。

 

通过富陷阱层,能够捕捉氧化埋层以及高电阻操作层中游离的寄生电荷(parasitic charge)。这样保证了衬底非常高的电阻率,进而带来极高的线性度,不仅仅是为晶体管,也为其他的无源器件的提供高线性度。

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这样极高的线性度能够帮助实现WiFi系统和蜂窝系统的共存,减少相邻频段的干扰。如上图所示,Band的干扰和WiFi信号的相邻通道泄露都被减少。基于富陷阱层,就能实现非常好的隔离,不管是数字信号还是模拟信号,即便是在这个非常复杂的5G 毫米波的射频前端,也能够实现隔离,从而防止信号串扰。

 

干扰可能出现在射频前端无源器件(传输线、电感等)或有源电路(晶体管、二极管等)的任一点。而采用富陷阱的 RF-SOI 优化衬底来构建大部分的射频前端电路,无论干扰发生在何处,都将被最小化。如上图(RFF非线性可能会在相邻频段产生干扰)所示,TCU 中使用的不同频段相互彼此接近时,频段泄漏将极大地影响相邻频段;而 RF-SOI 优化衬底将有助于最大限度地减少这种泄漏。采用富陷阱的 RF-SOI 衬底(例如 Soitec 的 iFEM-SOI 和 RFeSI 产品)可以最小化射频信号的非线性二次和三次谐波。与非富陷阱的 RF-SOI (HR-SOI) 衬底相比,这种改善非常显著。

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模块化是 NAD 设计的另一个关键要素,它提供的灵活性可用于满足不同区域市场的需求。而将发射、接收和滤波功能集成在多个模块中的射频前端组件更具优势。

 

智能手机中100%采用RF-SOI

 

Luis Andia分享说:“如今,世界上100% 的智能手机都离不开Soitec 的RF-SOI技术。”

 

智能手机融合了多样化的功能,包括无线电发射和接收、数字处理、 存储、音频、电池 管理、摄像和显示等,通过前端模块能够实现蜂窝电话和基站之间的射频信号传输和接收。高性能开关的市场需求在2016年更加强烈。当时已经演进出了LTE技术,出现了4G以及许多复杂的模块,也出现了天线调谐器。RF-SOI也随之被应用到越来越多的天线调谐器以及开关当中。对于射频前端的开关、射频前端控制等器件,RF-SOI是使用得最多的。

 

在智能手机中,射频开关处于射频前端的关键位置且必不可少,其插损、回损、隔离度、谐波抑制和功率容量等性能对射频前端链路有重要影响。射频开关的主要作用在于通过控制逻辑,实现对不同方向(接收或发射)、不同频率的信号进行切换,以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。

 

发展到今天的5G时代,智能手机需要更加复杂的模块和更高的集成度。LNA也被集成到开关当中。5G 毫米波对于高集成度有着更强烈的需求。目前,接近100%的射频开关都是基于Connect-SOI技术开发的,即RF-SOI或FD-SOI技术;超过80%的集成低噪声放大器都是基于RF-SOI开发的,接近100%的天线调谐器是在用Soitec的SOI技术。据介绍,Soitec 的RF-SOI 产品已经成为行业标准, 在大规模生产中被用于制造射频前端模块的IC ,同时满足芯片制造商对成本与性能要求。

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RF-SOI在汽车领域的应用

 

相比智能手机,现代汽车对于连接性的需求和依赖程度更高。目前的远程通信不仅要使用蜂窝网络,也非常依赖V2X的连接,还要使用专属的近距离通信系统,包括WiFi、蓝牙等。新兴的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他连接系统正在助力移动服务范围的进一步扩大。例如,它们通过提升车辆与道路基础设施之间的无线交互来提高驾驶安全性,或是与其他车辆之间的无线交互来优化交通条件。车载无线连接还可以轻松实现车内的高质量视频与音频娱乐内容访问,让乘客体验更加舒适。

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与所有无线设备一样,网联汽车依赖多个射频 IC 和射频模块来实现可靠的无线连接。大多数此类元件都包含在一个“盒子”中,通常称为远程信息处理盒(T-BOX),也称为远程信息处理控制单元(TCU)。如“TCU及内部射频系统详解”中能够看到,一个集成的网联车里的不同的射频系统模块。

 

Luis Andia介绍说,蓝色的都是建立在Soitec的SOI产品之上。Soitec的SOI产品能够确保优秀的信号完整性(signal integrity),给汽车的连接带来极高的可靠性和稳定性。TCU 中包含了用于传感、定位以及数据存储、处理与传输的功能模块。在这些模块中,网络接入设备(NAD)中又包含了确保蜂窝网络(4G LTE 或 5G)通信可靠与稳健所需的所有电路,而图左下角提到的射频前端即涵盖在这其中。RF-SOI 为射频前端模块 (RF FEM) 提供了无可比拟的集成灵活度,这有助于将高性能低噪声放大器 (LNA)、开关和功率放大器 (PA) 集成到单个芯片中,或集成到与滤波器和其他支持功能相关的高附加值多技术模块中。

 

随着汽车连接需求的显着增加,汽车行业在辅助驾驶和信息娱乐等系统方面具有巨大的市场增长潜力。汽车RFFE 的设计正变得更加定制化,并要求从一开始就考虑到特殊汽车相关的设计限制。

 

结束语


RF- SO不仅可以应用于智能手机上,许多日常生活中的设备上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI还用于每天使用的物联网的设备上,比如说像智能耳机、手表等。而且也不仅仅适用于蜂窝通信,还包括5G、蓝牙、WiFi以及超宽带UWB。

 

对于5G毫米波,当前也面临着提高集成度等相似的挑战。Luis Andia建议,对于毫米波,客户可以根据最终应用选择不同的射频前端架构。一些客户可能会优先考虑非常高性能的射频前端,而其他客户可能会牺牲部分性能以获得更高的集成度和更小的芯片尺寸。对于第一种情况,可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射频前端(PA + LNA + 开关 + 移相器 + 支持功能);而在第二种情况下,可以选择将部分频率转换与 RFFE 集成到 FD-SOI 技术中。这最终取决于客户的应用以及他们的竞争策略。   

 

科技创新是Soitec的企业宗旨。世界上的创新分两类,一类是颠覆式创新,一类是改进式创新。颠覆性创新是发明,是非常稀缺的。而成功企业,更多的则是在做改进式创新,是把现有的要素进行重新组合,从而创造出新的产品、技术和服务。那么,Soitec是如何创新的呢?

 

RF-SOI是Soitec 的主流产品。不过,Luis Andia表示:“我们并不认为一项技术可以解决所有的问题。所以我们有很多的技术来相互补充。这就是为什么我们提供其他产品,RF-SOI和FD-SOI产品,我们也在Connect-SOI之外引入了用于滤波器的POI,和用于大功率的RF-GaN优化衬底来满足不同的需求。”


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