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博通:面對5G及未來,FBAR濾波技術仍有創新空間
2019-08-13    來源:MEMS  瀏覽次數:
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據麥姆斯咨詢介紹,通過利用更高頻段以及頻段重組來實現5G移動通信,這對相關射頻元器件提出了新需求——必須能夠應對更嚴格的插入損耗要求、更大的帶寬以及更高的帶外抑制性能,同時還要能夠以更低的成本確保更小的占位面積。盡管業界已經探索了很多種濾波技術,但在不遠的未來,該領域預計仍將在當前的聲表面波(SAW)、體聲波(BAW)和薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波技術上做持續的增量創新。在智能手機射頻前端濾波器領域,博通(Broadcom)無疑是市場領導者。


Yole技術與市場分析師Cedric Malaquin近日采訪了Broadcom首席技術戰略官William Muller和FBAR技術總監Rich Ruby,和他們一起交流了5G時代濾波技術的現狀及發展趨勢。Yole及其子公司System Plus Consulting和KnowMade也分別從市場、技術以及知識產權方面對5G應用的濾波器技術進行了深入研究,以下為訪談實錄:

Cedric Malaquin(以下簡稱CM):兩位好!請你們先介紹一下自己,以及各自在Broadcom的工作職責。

William Muller(以下簡稱WM):我目前在Broadcom的職位是首席技術戰略官。我的職責是把握手機射頻前端(RF Front End, RFFE)領域的發展,以指導我的部門分配資源。為此,我會與服務提供商和監管機構就方向問題(他們的需求,我們的能力)對接交流,同時也作為包括3GPP在內的標準機構代表。

Rich Ruby(以下簡稱RR):我是Broadcom的FBAR技術總監。FBAR是Broadcom版本的BAW壓電濾波器。我一直在探究“突破性”方法來改進我們的射頻產品(尺寸、成本、性能),同時也在關注我們為手機市場開發的技術的垂直應用。

CM:請你們介紹一下Broadcom,其產品供應及面向的市場?

WM:Broadcom是一家多元化的公司,廣泛專注于通信市場、企業存儲、工業和企業軟件等技術。我和Rich Ruby所在的無線半導體部門,專注于為射頻前端開發多技術模組。我們的客戶都是全球領先的手機制造商。


CM:請介紹一下2018年Broadcom的總體表現。

WM:Broadcom是一家上市公司,您可以查看相關的財務報告,就我而言,我會說表現“不錯”。

CM:在您看來,5G非獨立組網模式(Non-Standalone, NSA)的影響是什么,意味著LTE和5G的雙連接?

WM:目前看來早期5G的推出大多數都是非獨立組網(NSA)。這在很大程度上取決于經濟因素,因為轉換為5G核心網需要大量的投資。NSA允許數據通過NR鏈路(NR是5G無線空口技術)發送,而網絡控制通過LTE鏈路完成。這種雙連接允許現有4G網絡控制功能,但仍然利用5G的頻譜優勢進行數據傳輸。如果沒有此功能,5G的部署速度會慢得多。

根據定義,NSA意味著必須保持兩個鏈路才能進行呼叫。兩路同時傳輸可能導致巨大的運行挑戰,因為信號會以靈敏度劣化(De-sense)甚至阻礙接收的方式相互作用。因此,NSA在線性方面遇到了更大挑戰,并且更加需要隔離信號。這增加了高抑制濾波的作用,以最小化相互作用,以及多路復用,以共享天線端口。在5G下共享天線變得更加關鍵,因為某些頻帶的標準要求4 x 4多輸入多輸出(MIMO),這意味著必須使用4個接收天線。

CM:Broadcom預期在濾波技術方面是否會出現顛覆性創新,使得在沒有額外空間和溢價的情況下解決手機中持續增多的濾波器問題?

WM:就定義層面來說,突破性變革很難預期。不過,我認為更有可能的是現有技術的持續發展,而非某種突破性變革。已裝機使用的技術基礎似乎已經能夠很好地支持5G目前提出的要求。迄今為止,我們已經能夠將每個頻段所需的占用空間每年縮小約15~20%,從而補償增加的功能。通常,成熟的大批量工藝也比全新的工藝成本低。由于可調諧方案固有的低選擇性,因此對于多個同時連接的需求,意味著可調諧濾波并不是解決問題的答案。在我看來,5G最大的挑戰,并不是來自我們已有的濾波器,而是來自天線,在很多情況下我們還沒有好的解決方案。

RR:我同意可調諧濾波器不是解決問題的答案。由于載波聚合頻帶的存在,多個可調諧濾波器必須在各種“已批準”的CA頻段之間并行切換(例如,CA B1/B3/B7 à CA B25.B66,B30)。

目前為止,可調諧濾波器甚至沒有表現出從一個頻段到另一個頻段的良好性能切換。我們還研究了新的導波SAW器件(有時稱為IHP SAW)。盡管該技術給SAW帶來了新生,從這點來說確實喜人,但由于在尺寸或性能方面和體聲波器件相比缺乏優勢,我們預計這項技術并不具有突破性。

周期性模數(A/D)和數模(D/A)技術被提出作為一種替代濾波器的途徑。要實現替代濾波器所需要的寬動態范圍、線性度和功率處理(以及合理的功率預算)將極具挑戰。我想說的是,在接下來的5~10年內,預計我們將會看到越來越多經過“修飾”的壓電濾波器技術進入智能手機。

我們還研究了采用FBAR的新型環行器,但現在還沒有看到這種技術和手機應用的結合點。

CM:一旦大規模MIMO有源天線的功率水平和要求降到足夠低,Broadcom是否有意進入基礎設施市場?

WM:我們供應的射頻產品需要龐大的團隊才能完成。到目前為止,我們更專注于智能手機的集成解決方案,而不是其它應用。其它應用很難跟智能手機領域的需求量進行競爭。至于5G基礎設施功率水平的降低,有可能,但早期對128 x 128單元基站的興趣已經觸及了網絡部署的成本現實,現在對32 x 32甚至16 x 16解決方案的興趣更大。與早期設想的小型蜂窩網絡相反,不少運營商預計將推出宏覆蓋。因此,相比之下,手機市場帶來的需求量就更吸引人了。

CM:就你們看來,行業是否正在為FBAR技術轉向12英寸晶圓?Broadcom在這方面的立場是什么?

RR:我們一直在評估轉向12英寸晶圓的可能性。隨著MIMO為手機增加了更多的濾波器,濾波器的數量增長最終可能會推動不止一家供應商轉向12英寸。不過,從3英寸到4英寸的轉換開始,我親自參與了多次轉換,可以說要實現12英寸的轉換并不容易。目前,我們有足夠的產能來滿足客戶的需求。

CM:在你們看來,FBAR技術會處理3.5 GHz以上5G新空口頻段(N77、N78、N79)嗎?哪個將成為5G的主要頻段?

WM:首先,意見略有差異。在我看來,斷言這些將普遍成為5G“主要頻段”過于草率了。例如,N41在全球范圍內可能比N77或N79更重要。在美國,許多人認為新的毫米波頻段將成為“主要頻段”。對我而言,所謂的“主要頻段”還是要看部署的情況,我認為5G可以部署在運營商可用但未用的任何頻譜上。不過,我也確實同意,包括歐洲在內的全球許多地方,很可能主要頻段是在N78。但是,我們不應該忘記傳統頻段對5G仍然很重要,尤其是潛在未充分利用的頻段,如N28、N71甚至N5。

對于您問題的要點,FBAR確實可以服務這些新的更高頻段。我們可以用單個聲波濾波器支持N78或N79。我們還能以具有L-C結構以及FBAR諧振器的混合結構支持N77。這種基于FBAR的濾波器可以解決與WiFi頻譜共存的問題,在N78和N79上實現異步運行,并為N78運行提供更受保護的環境。我們相信這些解決方案將用于一些被視為增加重要功能的手機中。我們預計這種解決方案不會得到普遍采用,至少在早期應用中應該不會。

RR:我認為在6 GHz以下使用的所有濾波器都將使用壓電技術或集成無源器件(IPD)。壓電技術將用于需要陡峭滾降(roll-off)和復雜多路復用的應用。對于性能不那么重要的應用,你會看到IPD技術。

但一個有趣的問題是BAW濾波器技術可以支持多高的頻率?我們已經展示了可以滿足高達10 GHz應用的BAW濾波器技術。如果10~20 GHz頻段開放,我們也可以支持這個范圍。不過,在某些情況,可以在低損耗襯底或芯片上制作合適的濾波器,當然,進出封裝的寄生損耗也會變得過大。因此,頻率不是BAW器件的限制因素,而是替代更簡單的技術或集成方案。

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