据麦姆斯咨询介绍,通过利用更高频段以及频段重组来实现 5G 移动通信,这对相关射频元器件提出了新需求——必须能够应对更严格的插入损耗要求、更大的带宽以及更高的带外抑制性能,同时还要能够以更低的成本确保更小的占位面积。尽管业界已经探索了很多种滤波技术,但在不远的未来,该领域预计仍将在当前的声表面波(SAW)、体声波(BAW)和薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波技术上做持续的增量创新。在智能手机射频前端滤波器领域,博通(Broadcom)无疑是市场领导者。

 

射频前端模组和连接性市场预测(按元器件细分)

数据来源:《5G 对手机射频前端模组和连接性的影响 -2019 版》

 

Yole 技术与市场分析师 Cedric Malaquin 近日采访了 Broadcom 首席技术战略官 William Muller 和 FBAR 技术总监 Rich Ruby,和他们一起交流了 5G 时代滤波技术的现状及发展趋势。Yole 及其子公司 System Plus Consulting 和 KnowMade 也分别从市场、技术以及知识产权方面对 5G 应用的滤波器技术进行了深入研究,相关报告可参考:《5G 对手机射频前端模组和连接性的影响 -2019 版》、《射频前端模组技术对比 -2019 版》、《手机射频前端模组专利全景分析》、《射频(RF)声波滤波器专利全景分析》。

 

声波滤波器相关专利申请趋势

 

以下为访谈实录:

Cedric Malaquin(以下简称 CM):两位好!请你们先介绍一下自己,以及各自在 Broadcom 的工作职责。

 

William Muller(以下简称 WM):我目前在 Broadcom 的职位是首席技术战略官。我的职责是把握手机射频前端(RF Front End, RFFE)领域的发展,以指导我的部门分配资源。为此,我会与服务提供商和监管机构就方向问题(他们的需求,我们的能力)对接交流,同时也作为包括 3GPP 在内的标准机构代表。

 

Rich Ruby(以下简称 RR):我是 Broadcom 的 FBAR 技术总监。FBAR 是 Broadcom 版本的 BAW 压电滤波器。我一直在探究“突破性”方法来改进我们的射频产品(尺寸、成本、性能),同时也在关注我们为手机市场开发的技术的垂直应用。

 

CM:请你们介绍一下 Broadcom,其产品供应及面向的市场?

 

WM:Broadcom 是一家多元化的公司,广泛专注于通信市场、企业存储、工业和企业软件等技术。我和 Rich Ruby 所在的无线半导体部门,专注于为射频前端开发多技术模组。我们的客户都是全球领先的手机制造商。

 

Broadcom 射频前端模组

 

CM:请介绍一下 2018 年 Broadcom 的总体表现。

 

WM:Broadcom 是一家上市公司,您可以查看相关的财务报告,就我而言,我会说表现“不错”。

 

CM:在您看来,5G 非独立组网模式(Non-Standalone, NSA)的影响是什么,意味着 LTE 和 5G 的双连接?

 

WM:目前看来早期 5G 的推出大多数都是非独立组网(NSA)。这在很大程度上取决于经济因素,因为转换为 5G 核心网需要大量的投资。NSA 允许数据通过 NR 链路(NR 是 5G 无线空口技术)发送,而网络控制通过 LTE 链路完成。这种双连接允许现有 4G 网络控制功能,但仍然利用 5G 的频谱优势进行数据传输。如果没有此功能,5G 的部署速度会慢得多。

 

根据定义,NSA 意味着必须保持两个链路才能进行呼叫。两路同时传输可能导致巨大的运行挑战,因为信号会以灵敏度劣化(De-sense)甚至阻碍接收的方式相互作用。因此,NSA 在线性方面遇到了更大挑战,并且更加需要隔离信号。这增加了高抑制滤波的作用,以最小化相互作用,以及多路复用,以共享天线端口。在 5G 下共享天线变得更加关键,因为某些频带的标准要求 4 x 4 多输入多输出(MIMO),这意味着必须使用 4 个接收天线。

 

CM:Broadcom 预期在滤波技术方面是否会出现颠覆性创新,使得在没有额外空间和溢价的情况下解决手机中持续增多的滤波器问题?

 

WM:就定义层面来说,突破性变革很难预期。不过,我认为更有可能的是现有技术的持续发展,而非某种突破性变革。已装机使用的技术基础似乎已经能够很好地支持 5G 目前提出的要求。迄今为止,我们已经能够将每个频段所需的占用空间每年缩小约 15~20%,从而补偿增加的功能。通常,成熟的大批量工艺也比全新的工艺成本低。由于可调谐方案固有的低选择性,因此对于多个同时连接的需求,意味着可调谐滤波并不是解决问题的答案。在我看来,5G 最大的挑战,并不是来自我们已有的滤波器,而是来自天线,在很多情况下我们还没有好的解决方案。

 

RR:我同意可调谐滤波器不是解决问题的答案。由于载波聚合频带的存在,多个可调谐滤波器必须在各种“已批准”的 CA 频段之间并行切换(例如,CA B1/B3/B7 à CA B25.B66,B30)。

 

目前为止,可调谐滤波器甚至没有表现出从一个频段到另一个频段的良好性能切换。我们还研究了新的导波 SAW 器件(有时称为 IHP SAW)。尽管该技术给 SAW 带来了新生,从这点来说确实喜人,但由于在尺寸或性能方面和体声波器件相比缺乏优势,我们预计这项技术并不具有突破性。

 

周期性模数(A/D)和数模(D/A)技术被提出作为一种替代滤波器的途径。要实现替代滤波器所需要的宽动态范围、线性度和功率处理(以及合理的功率预算)将极具挑战。我想说的是,在接下来的 5~10 年内,预计我们将会看到越来越多经过“修饰”的压电滤波器技术进入智能手机。

 

我们还研究了采用 FBAR 的新型环行器,但现在还没有看到这种技术和手机应用的结合点。

 

Broadcom 的 FBAR 滤波器芯片

 

CM:一旦大规模 MIMO 有源天线的功率水平和要求降到足够低,Broadcom 是否有意进入基础设施市场?

 

WM:我们供应的射频产品需要庞大的团队才能完成。到目前为止,我们更专注于智能手机的集成解决方案,而不是其它应用。其它应用很难跟智能手机领域的需求量进行竞争。至于 5G 基础设施功率水平的降低,有可能,但早期对 128 x 128 单元基站的兴趣已经触及了网络部署的成本现实,现在对 32 x 32 甚至 16 x 16 解决方案的兴趣更大。与早期设想的小型蜂窝网络相反,不少运营商预计将推出宏覆盖。因此,相比之下,手机市场带来的需求量就更吸引人了。

 

CM:就你们看来,行业是否正在为 FBAR 技术转向 12 英寸晶圆?Broadcom 在这方面的立场是什么?

 

RR:我们一直在评估转向 12 英寸晶圆的可能性。随着 MIMO 为手机增加了更多的滤波器,滤波器的数量增长最终可能会推动不止一家供应商转向 12 英寸。不过,从 3 英寸到 4 英寸的转换开始,我亲自参与了多次转换,可以说要实现 12 英寸的转换并不容易。目前,我们有足够的产能来满足客户的需求。

 

CM:在你们看来,FBAR 技术会处理 3.5 GHz 以上 5G 新空口频段(N77、N78、N79)吗?哪个将成为 5G 的主要频段?

 

WM:首先,意见略有差异。在我看来,断言这些将普遍成为 5G“主要频段”过于草率了。例如,N41 在全球范围内可能比 N77 或 N79 更重要。在美国,许多人认为新的毫米波频段将成为“主要频段”。对我而言,所谓的“主要频段”还是要看部署的情况,我认为 5G 可以部署在运营商可用但未用的任何频谱上。不过,我也确实同意,包括欧洲在内的全球许多地方,很可能主要频段是在 N78。但是,我们不应该忘记传统频段对 5G 仍然很重要,尤其是潜在未充分利用的频段,如 N28、N71 甚至 N5。

 

对于您问题的要点,FBAR 确实可以服务这些新的更高频段。我们可以用单个声波滤波器支持 N78 或 N79。我们还能以具有 L-C 结构以及 FBAR 谐振器的混合结构支持 N77。这种基于 FBAR 的滤波器可以解决与 WiFi 频谱共存的问题,在 N78 和 N79 上实现异步运行,并为 N78 运行提供更受保护的环境。我们相信这些解决方案将用于一些被视为增加重要功能的手机中。我们预计这种解决方案不会得到普遍采用,至少在早期应用中应该不会。

 

RR:我认为在 6 GHz 以下使用的所有滤波器都将使用压电技术或集成无源器件(IPD)。压电技术将用于需要陡峭滚降(roll-off)和复杂多路复用的应用。对于性能不那么重要的应用,你会看到 IPD 技术。

 

但一个有趣的问题是 BAW 滤波器技术可以支持多高的频率?我们已经展示了可以满足高达 10 GHz 应用的 BAW 滤波器技术。如果 10~20 GHz 频段开放,我们也可以支持这个范围。不过,在某些情况,可以在低损耗衬底或芯片上制作合适的滤波器,当然,进出封装的寄生损耗也会变得过大。因此,频率不是 BAW 器件的限制因素,而是替代更简单的技术或集成方案。

 

Broadcom FBAR 滤波器在其主要客户中的销售情况

 

CM:在已经高度致密的功率放大器模组中,是否仍有空间集成更多的 FBAR 滤波器?

 

WM:简单来说,是的。已经有技术可以在射频前端中实现更小的滤波器占位面积。Broadcom 在这方面投入了巨大努力。我们还有相关技术可以实现更密集的组装,例如双面装配、更小的禁止布线区(keep-out)、更密集的球栅阵列等。我们清晰地规划了多年的路线图,以紧跟目前已确定的行业需求。

 

RR:我同意。我们正在努力减少进入前端模组的所有组件的占位面积。鉴于滤波器在目前的模组中占据了最大的区域,我们一直在这个方向上努力创新。

 

CM:根据你们的技术专长以及对射频电子产业的了解,你们是否看到 LTE 手机射频前端滤波功能数量的限制?

 

WM:限制来自成本和尺寸,但如上所述,至少对于旗舰手机而言,到目前为止我们能够跟上行业的需求。就我们目前看到的情况来说,预期的未来需求对我们来说不是问题。

 

RR:我曾经在 2016 年写过一篇文章,我预测每部手机将配备大约 100 个滤波器。今天的旗舰手机已经包含了 60 多个滤波器(由各种模组和 MIMO 模组以及主要前端模组驱动)。我坚信未来每部手机将会包含大约 100 个滤波器。而且,我不认为这个数字会是大问题。如果需要更多数量的滤波器,比如每部手机 300 多个滤波器,那么我们会看到针对地区的手机分化(例如亚洲、美洲、欧洲等),完整支持主要区域的数据速率,而对其他区域的支持则较少。

 

CM:一旦 5G 网络逐渐独立,你们预计手机中的滤波功能是否会减少?

 

WM:当然是“否”。传统频段仍然需要支持。4G 将在大多数网络中保持活跃,远超第一个 SA 网络。5G 还利用了载波聚合(CA)。因此,我预计在任何可见的未来都不会降低滤波要求。

 

RR:除了传统频段问题,为了设计适用于大部分国家和服务提供商的手机,将会始终保持高滤波器数量。减少手机中的频段数量以支持一个国家或一个服务提供商的替代方案,看起来像早期的“诺基亚模式”,在诺基亚时代的高峰期,他们制造并支持 200 多种不同的手机产品。

 

CM:最后,你们还有什么需要补充的吗?

 

WM:从 3G 向 LTE 的过渡对智能手机中高性能 BAW 滤波器提出了巨大需求,但是在网络密集化的 1 到 2 年之后。FBAR 滤波现在可以满足这些需求,而且量非常大。我们在 5G 中看到了并行场景。随着滤波器在富含 MIMO 的新空口环境中激增,并且随着多路复用需求的增加,预计我们的 FBAR 技术将能够继续提供最高性能的可用解决方案。

 

一些 OEM 和运营商在他们的第一款 5G 智能手机方案中需要高性能 BAW 滤波。Broadcom 凭借扩展的 8 英寸产能,不断努力降低解决方案的尺寸,提高 BAW 性能和产能,以满足高达 6 GHz 及以上要求,为满足 5G 新无线电时代的需求抢占了先机。

 

RR:想象一下射频滤波器如果没有压电谐振器的世界。手机将只能采用早期的陶瓷滤波技术(陶瓷双工器的体积为 5mm x 5mm x 30 mm)。相比之下,Broadcom FBAR 滤波器的体积通常要小 3000~4000 倍。再想象一下世界上唯一的压电滤波器是 SAW。SAW 在 1 GHz 或更低频率下工作良好,但难以满足 2 GHz 或更高频率的功率、插入损耗、隔离和线性要求。

 

FBAR 于 1993 年左右在惠普实验室诞生。那是第一款用于蜂窝应用的高容量 BAW 技术。我们在 2001 年推出了第一款独立 FBAR 双工器。到 2013 年,我们进入了所有出售的智能手机。如今,所有高性能智能手机都使用了 FBAR 或其它 BAW 技术。简而言之,我们可以说 FBAR 是现代智能手机的关键赋能技术。