隨著萬物互聯(lián)時代的到來，聯(lián)網(wǎng)設備正無限增加，這就需要更大的網(wǎng)絡容量來解決連網(wǎng)的問題。除了5G、5G Advanced、6G的不斷迭代更新外，無線局域網(wǎng)和Wi-Fi的復雜性也不斷增加。目前，Wi-Fi 6E的頻率已經(jīng)提升至6GHz。據(jù)預估，Wi-Fi 7有效帶寬將是Wi-Fi 6的2倍，可用頻譜將是Wi-Fi 6的3倍。
隨著智能設備、無線網(wǎng)絡技術(shù)的演進，對器件內(nèi)射頻系統(tǒng)的性能和復雜度都大幅提升。這些采用不同材料、不同工藝生產(chǎn)的器件該如何更好的集成在一起，射頻系統(tǒng)未來如何持續(xù)提供更高的頻率和更高的效率，是當前面臨的主要挑戰(zhàn)。
01
射頻前端模組化已成必然趨勢
射頻前端模組化已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢。當幾種不同的射頻系統(tǒng)需要在內(nèi)部共存時，線性方面的限制就越多，系統(tǒng)共存的限制也越多，由此給射頻前端模塊化帶來了許多挑戰(zhàn)。
Soitec移動通信部門高級業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Luis Andia認為，有兩個挑戰(zhàn)尤為重要。
首先是溫度管理。由于模塊密度相對較高，并且裸片位置非常接近，溫升的影響就非常明顯。比如當功率放大器溫度升高時，溫升對相鄰裸片的性能就有可能產(chǎn)生降級影響；對于低噪聲放大器而言，它的噪聲系數(shù)可能會由于溫度變化而上升。所以溫度管理是一個非常大的挑戰(zhàn)。
另一個挑戰(zhàn)是干擾，例如相鄰碼片信號之間的串擾。
Luis Andia，Soitec移動通信部門高級業(yè)務發(fā)展經(jīng)理
Luis Andia表示：“射頻前端現(xiàn)在變得越來越復雜，需要更多的更復雜的模塊來解決毫米波、5G、sub-6 5G的通信方面的需求。”針對溫升，Soitec的解決辦法是，選用一些能量密度相對較高的材料，如 RF-GaN，它可以幫助更有效地管理功率，從而最大限度地減少溫升。對于抗干擾，Soitec的 RFeSI 產(chǎn)品可以最大限度地減少相鄰芯片之間的串擾。同時，POI 以及基于它所設計的濾波器等產(chǎn)品，可以最大限度地減少相鄰系統(tǒng)之間的干擾，例如蜂窩和 Wi-Fi 共存于同一射頻前端。
此外，Soitec還在為 RF-SOI 襯底開發(fā)新功能，以幫助保證高溫下的高線性度環(huán)境。例如，當汽車發(fā)生事故情況下的緊急呼叫。使用RF-SOI帶來的優(yōu)勢之一，是當發(fā)生緊急事件時，用戶可以快速建立一個通信路徑，進行緊急服務溝通。Soitec的RF-SOI能夠提供汽車所需的熱切換（hot switching）和可靠性。
隨著聯(lián)網(wǎng)設備越來越多，需要更大的網(wǎng)絡容量來解決連網(wǎng)的問題。這意味著要達到更高的頻率，也許是毫米波，但不僅如此。Luis Andia分享說：“不同國家和地區(qū)有不同的頻率規(guī)定。我們已經(jīng)看到將Wi Fi的頻率提高到接近7GHz的努力；也看到政府正在探索使用10GHz、20GHz的蜂窩。未來幾年仍然會有一些變化，但原則都是一樣的。即頻譜用得越多頻率就越高，線性方面的限制就越多，系統(tǒng)共存的限制也越多。RF-SOI 的優(yōu)勢就在于此。”
02
RF-SOI的技術(shù)優(yōu)勢
RF SOI是一種具有獨特的硅/絕緣層/硅三層結(jié)構(gòu)的硅基半導體工藝材料，它通過絕緣埋層(通常為SiO2)實現(xiàn)了器件和襯底的全介質(zhì)隔離。由于RF-SOI 能夠以最優(yōu)的性價比實現(xiàn)更高的線性度和更低的插入損耗，它可以為人們帶來更快的數(shù)據(jù)速度、更長的電池壽命，和頻率更穩(wěn)定、流暢的通信質(zhì)量。
Luis Andia分享到：“RF-SOI能夠取得巨大成功和獲得廣大市場的原因，主要是由于RF-SOI能夠保證非常高的信號的線性度和信號完整性。”對SOI+低電阻率晶圓、SOI+高電阻率晶圓、RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓這三類進行比較，可以發(fā)現(xiàn)在這三種材料中，RFeSI SOI富陷阱+高電阻率晶圓的信號失真度（distortion）是最低的，線性度是最高的。
通過富陷阱層，能夠捕捉氧化埋層以及高電阻操作層中游離的寄生電荷（parasitic charge）。這樣保證了襯底非常高的電阻率，進而帶來極高的線性度，不僅僅是為晶體管，也為其他的無源器件的提供高線性度。
部分系統(tǒng)級射頻前端共存問題及解決方案一
這樣極高的線性度能夠幫助實現(xiàn)WiFi系統(tǒng)和蜂窩系統(tǒng)的共存，減少相鄰頻段的干擾。如上圖所示，Band的干擾和WiFi信號的相鄰通道泄露都被減少。基于富陷阱層，就能實現(xiàn)非常好的隔離，不管是數(shù)字信號還是模擬信號，即便是在這個非常復雜的5G 毫米波的射頻前端，也能夠?qū)崿F(xiàn)隔離，從而防止信號串擾。
干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無源器件（傳輸線、電感等）或有源電路（晶體管、二極管等）的任一點。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來構(gòu)建大部分的射頻前端電路，無論干擾發(fā)生在何處，都將被最小化。如上圖（RFF非線性可能會在相鄰頻段產(chǎn)生干擾）所示，TCU 中使用的不同頻段相互彼此接近時，頻段泄漏將極大地影響相鄰頻段；而 RF-SOI 優(yōu)化襯底將有助于最大限度地減少這種泄漏。采用富陷阱的 RF-SOI 襯底（例如 Soitec 的 iFEM-SOI 和 RFeSI 產(chǎn)品）可以最小化射頻信號的非線性二次和三次諧波。與非富陷阱的 RF-SOI (HR-SOI) 襯底相比，這種改善非常顯著。
部分系統(tǒng)級射頻前端共存問題及解決方案二
模塊化是 NAD 設計的另一個關(guān)鍵要素，它提供的靈活性可用于滿足不同區(qū)域市場的需求。而將發(fā)射、接收和濾波功能集成在多個模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢。
03
智能手機中100%采用RF-SOI
Luis Andia分享說：“如今，世界上100% 的智能手機都離不開Soitec 的RF-SOI技術(shù)。”
智能手機融合了多樣化的功能，包括無線電發(fā)射和接收、數(shù)字處理、 存儲、音頻、電池 管理、攝像和顯示等，通過前端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)蜂窩電話和基站之間的射頻信號傳輸和接收。高性能開關(guān)的市場需求在2016年更加強烈。當時已經(jīng)演進出了LTE技術(shù)，出現(xiàn)了4G以及許多復雜的模塊，也出現(xiàn)了天線調(diào)諧器。RF-SOI也隨之被應用到越來越多的天線調(diào)諧器以及開關(guān)當中。對于射頻前端的開關(guān)、射頻前端控制等器件，RF-SOI是使用得最多的。
在智能手機中，射頻開關(guān)處于射頻前端的關(guān)鍵位置且必不可少，其插損、回損、隔離度、諧波抑制和功率容量等性能對射頻前端鏈路有重要影響。射頻開關(guān)的主要作用在于通過控制邏輯，實現(xiàn)對不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號進行切換，以達到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。
發(fā)展到今天的5G時代，智能手機需要更加復雜的模塊和更高的集成度。LNA也被集成到開關(guān)當中。5G 毫米波對于高集成度有著更強烈的需求。目前，接近100%的射頻開關(guān)都是基于Connect-SOI技術(shù)開發(fā)的，即RF-SOI或FD-SOI技術(shù)；超過80%的集成低噪聲放大器都是基于RF-SOI開發(fā)的，接近100%的天線調(diào)諧器是在用Soitec的SOI技術(shù)。據(jù)介紹，Soitec 的RF-SOI 產(chǎn)品已經(jīng)成為行業(yè)標準， 在大規(guī)模生產(chǎn)中被用于制造射頻前端模塊的IC ，同時滿足芯片制造商對成本與性能要求。
04
RF-SOI在汽車領(lǐng)域的應用
相比智能手機，現(xiàn)代汽車對于連接性的需求和依賴程度更高。目前的遠程通信不僅要使用蜂窩網(wǎng)絡，也非常依賴V2X的連接，還要使用專屬的近距離通信系統(tǒng)，包括WiFi、藍牙等。新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他連接系統(tǒng)正在助力移動服務范圍的進一步擴大。例如，它們通過提升車輛與道路基礎設施之間的無線交互來提高駕駛安全性，或是與其他車輛之間的無線交互來優(yōu)化交通條件。車載無線連接還可以輕松實現(xiàn)車內(nèi)的高質(zhì)量視頻與音頻娛樂內(nèi)容訪問，讓乘客體驗更加舒適。
TCU及內(nèi)部射頻前端詳解
與所有無線設備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴多個射頻 IC 和射頻模塊來實現(xiàn)可靠的無線連接。大多數(shù)此類元件都包含在一個“盒子”中，通常稱為遠程信息處理盒（T-BOX），也稱為遠程信息處理控制單元（TCU）。如“TCU及內(nèi)部射頻系統(tǒng)詳解”中能夠看到，一個集成的網(wǎng)聯(lián)車里的不同的射頻系統(tǒng)模塊。
Luis Andia介紹說，藍色的都是建立在Soitec的SOI產(chǎn)品之上。Soitec的SOI產(chǎn)品能夠確保優(yōu)秀的信號完整性（signal integrity），給汽車的連接帶來極高的可靠性和穩(wěn)定性。TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中，網(wǎng)絡接入設備（NAD）中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡（4G LTE 或 5G）通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路，而圖左下角提到的射頻前端即涵蓋在這其中。RF-SOI 為射頻前端模塊 (RF FEM) 提供了無可比擬的集成靈活度，這有助于將高性能低噪聲放大器 (LNA)、開關(guān)和功率放大器 (PA) 集成到單個芯片中，或集成到與濾波器和其他支持功能相關(guān)的高附加值多技術(shù)模塊中。
隨著汽車連接需求的顯著增加，汽車行業(yè)在輔助駕駛和信息娛樂等系統(tǒng)方面具有巨大的市場增長潛力。汽車RFFE 的設計正變得更加定制化，并要求從一開始就考慮到特殊汽車相關(guān)的設計限制。
05
結(jié)束語
RF- SO不僅可以應用于智能手機上，許多日常生活中的設備上都能看到RF- SOI的身影。RF- SOI還用于每天使用的物聯(lián)網(wǎng)的設備上，比如說像智能耳機、手表等。而且也不僅僅適用于蜂窩通信，還包括5G、藍牙、WiFi以及超寬帶UWB。
對于5G毫米波，當前也面臨著提高集成度等相似的挑戰(zhàn)。Luis Andia建議，對于毫米波，客戶可以根據(jù)最終應用選擇不同的射頻前端架構(gòu)。一些客戶可能會優(yōu)先考慮非常高性能的射頻前端，而其他客戶可能會犧牲部分性能以獲得更高的集成度和更小的芯片尺寸。對于第一種情況，可以在 RF-SOI 中集成完整的高性能射頻前端（PA + LNA + 開關(guān) + 移相器 + 支持功能）；而在第二種情況下，可以選擇將部分頻率轉(zhuǎn)換與 RFFE 集成到 FD-SOI 技術(shù)中。這最終取決于客戶的應用以及他們的競爭策略。
科技創(chuàng)新是Soitec的企業(yè)宗旨。世界上的創(chuàng)新分兩類，一類是顛覆式創(chuàng)新，一類是改進式創(chuàng)新。顛覆性創(chuàng)新是發(fā)明，是非常稀缺的。而成功企業(yè)，更多的則是在做改進式創(chuàng)新，是把現(xiàn)有的要素進行重新組合，從而創(chuàng)造出新的產(chǎn)品、技術(shù)和服務。那么，Soitec是如何創(chuàng)新的呢？
RF-SOI是Soitec 的主流產(chǎn)品。不過，Luis Andia表示：“我們并不認為一項技術(shù)可以解決所有的問題。所以我們有很多的技術(shù)來相互補充。這就是為什么我們提供其他產(chǎn)品，RF-SOI和FD-SOI產(chǎn)品，我們也在Connect-SOI之外引入了用于濾波器的POI，和用于大功率的RF-GaN優(yōu)化襯底來滿足不同的需求。”
