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5G基站部署需要这样的RF半导体支持

5G已经箭在弦上,相关标准已经确定,从各方信息来看,2019年实现商用应该不成问题。


在这样的背景下,相关基础设施市场的机会在快速增加,预计2022年,4G/ 5G基础设施用RF半导体的市场规模将达到16亿美元,其中,MIMO PA年复合增长率将达到135%,射频前端模块的年复合增长率将达到119%。

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更看好SiC基氮化镓

随着技术得发展,以及市场需求得变化,蜂窝网络设备厂商对更高效高效的产品需求愈加迫切,特别是在RF部分,对此,Qorvo无线基础设施及国防产品(IDP,Infrastructure & Defense Products)高性能解决方案事业部总经理Roger Hall表示,客户对集成式的解决方案很感兴趣,同时,客户也希望能够降低他们的成本,所以我们会和客户共同开发系统级的解决方案。

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Qorvo无线基础设施及国防产品高性能解决方案事业部总经理 Roger Hall


今后,蜂窝网络设备对绿色环保得要求会越来越高,这其中,低功耗是一个重要指标,Roger Hall表示,我们在这个领域经验丰富,特别是在新兴的氮化镓(GaN)技术方面,一些竞争者采用硅基的RF解决方案,我们则选择更绿色、低能耗的解决方案,SiC基方案是一个比较理想的选择。我们并不反对硅基的氮化镓,但是我们现在还是会更倾向于SiC基的氮化镓方案,是将来的一个发展的方向。我们相信,将来如果产量上去的话,成本是能够降下来的。


另外,总成本考量很重要,因为,它包括裸片、封装和测试等,因为大多数产品都是集成式的模块,而不是单独的GaN裸片。所以,整体成本是多个元件加起来的成本,我们认为SiC基氮化镓的总成本最后还是会降低,而且它在效率和性能方面都非常的优异,而且散热性能更好。


我们认为这两钟选择,其实成本最终是相似的,所以,我们并不认为SiC基的氮化镓成本更高。我们认为这个领域是极具发展潜力的。当然,我们业会根据市场发展情况,以及客户得需求,提供包括SiC基在内的、多种方案,而不只局限于一种。


Roger Hall强调,我们的用户很重视效率,性价比也是他们非常重视的,这是他们之后也会选择SiC基氮化镓的原因。另外,有一些应用市场的客户,对成本不敏感,他们主要看性能。因此,我们基于现有的技术进行预测,我觉得SiC基氮化镓会更好。


为客户量身定制方案

如何有机地把各种RF器件整合在系统内很重要。为了让这些元件更好地工作在一个系统中,Qorvo在先进封装技术方面投入很大,以提高芯片的集成度。Roger Hall说:“如此一来,我们的客户在使用这些器件时就会简单许多。所以我们的战略就是提供更高的集成度,以及更好的易用性。”


不同的场景都会有其特有的应用和发展方向,也就会有不同的部署方案。比如说在中国,会更关注如何来提升自己的效率和生产率;美国更关注如何提升手机的用户体验。不同的国家会有不同的需求,


在蜂窝网络基础设施RF方面,有多种制程和技术选择,具体用哪些?怎么用?就要根据相关设备厂商的需要而定了,比如说,未来5G基站需要具备65dbm的EIRP性能,还要考虑有源元件的数量,基于此,就要考虑在什么时候可以用氮化镓,什么时候用砷化镓,什么时候可以用锗化硅,还要考虑在哪一个点可以得到最低的功耗,从而选择出正确的技术和方案。


当GaN遇上5G毫米波

下图展示的是锗化硅和氮化镓的毫米波5G基站MIMO天线方案,它有1024个元件,裸片面积是4096平方毫米,辐射功率是65dbm,可以看到,如果用氮化镓MIMO天线的话,性能指标有明显提升。

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通过对比可以看到,如果用氮化镓,虽然成本有所增加,但是功耗能够减少40%,裸片面积减少了94%。这样,可以给客户提供更好的解决方案。


据悉,在GaN射频前端模块方面,Qorvo针对不同市场的应用特点和习惯,推出了39GHz和28GHz的前端模块。


而到了39GHz和28GHz,就进入了毫米波频段,其在全球5G市场正在推广当中,而不同的国家和地区,其噶·发展进度也不尽相同。这就需要RF器件和模块具有多种应用场景的支持能力。并且,进入毫米波段后,相对于传统的超高频和微波频段来说(如3.5GHz、4.9GHz或更低),器件的复杂性会成倍的增加,其设计复杂度就更高了。而更高的60GHz应用,其设计难度难以想象。


对此,Roger Hall表示,Qorvo过去20多年一直在向更高的频率方向去做产品。我们认为,除了复杂度之外,成本的考量也很重要,而集成度、封装和测试在很大程度上决定着RF器件和模块的成本,有很多问题有待解决,尤其是要和我们用户一起去探索解决方案,而不仅仅是只从我们自己的角度去考虑怎么样去集成和封装。另外,我们的竞争者也会做一些高性价比的产品,他们同样需要去做测试、封装等优化工作,就这一点而言,行业的方向都是一致的,关键看谁做的更好,而这方面,Qorvo的技术和经验积累有优势。


从半导体产业的角度来看,我们公司在技术层面其实早就有这个能力,关键问题在于是否有满足市场需求的成本和价格,也就是系统的复杂性、成本是否能够达到用户要求。


Roger Hall表示,我们不仅关注半导体,Qorvo还是一个模组企业,我们希望有集成式的解决方案,而且我们也一直在和用户探讨最佳的集成式解决方案。因此,我们的产品非常多样,我们的最终目的就是要提供最高价值的产品来解决最复杂的应用需求。


工程技术挑战及应对之策

谈到5G基站RF端部署方面的工程挑战时,Roger Hall表示,这方面有很多新的挑战,已经不仅仅是更高的频段,还有更宽的带宽,以及需要多高的效率才可以更好的散热等等,散热性能十分重要,尤其是在5G基站当中,而且是前所未有的重要。


第二就是规模,也就是如何保证更高的网络容量,主要涉及MIMO多输入、多输出技术,还有阵列的规模,部署成本,以及无线的安装等等。如果无线设备太重太大的话,成本就会太高。所以要考虑怎样才可以达到很好的平衡,华为、诺基亚、三星等企业都希望解决这些技术上的难题,也就是怎样保证将带宽、尺寸,还有集成度等都做得更好。


综上,最关键的挑战就是更大的带宽、更高的效率,因此要找到最适合市场的技术。Roger Hall表示,之前有人问我过一个问题,就是你是否可以做某种固件,它可以覆盖所有频率。我觉得的确是可以,但是这样做的效率就会很低了。因此,我们必须做很好的权衡,也就是希望容量更大、带宽更高的同时,又希望效率最大化,而且性能是最好的,价格又不能太高,这就必须做一系列的权衡。这就是为什么我们觉得氮化镓是非常好的选择,在宽带和高频方面,它的应用前景更好。而在一些更高等级基站的应用场景当中,如何降低成本,如何保证氮化镓的效率更高是不小的挑战。我们认为技术逐渐演进并成熟以后,可以找到这些应用场景更好的解决方案。

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