加速LTE-A/5G设计 射频LNA/PA需求爆发

射频(RF)元件需求急速增长。先进长程演进计划(LTE-Advanced, LTE-A)商转启动,下一代5G标准亦蓄势待发,驱动行动装置射频系统规格升级。系统厂为支援100MHz超大频宽、四十个以上频段并降低杂讯干扰,除计划增加低杂讯放大器(LNA)和功率放大器(PA)等射频元件用量外,亦将要求射频前端模组(FAM)提高功能整合度,吸引晶片商加紧展开卡位。

 英飞凌(Infineon)电源管理及多元电子事业处射频暨保护元件协理麦正奇表示,随着多频多模LTE及LTE-A设计加温,手机厂对FAM各类元件如PA、LNA、开关(Switch)和滤波器(Filter)等需求皆显着攀升,进而激励矽锗碳(SiGe:C)、砷化镓(GaAs)和互补式金属氧化部半导体(CMOS)射频元件供应商士气大振,正相继投入开发新产品。

 据悉,除美、日和韩全面启动LTE商转外,中国大陆亦可望于今年下半年发出4G执照,加速TD-LTE营运,而台湾也可望于年底顺利发照,让LTE进入高速成长期,并朝国际漫游与可向下相容2G/3G的多频多模规格发展。不仅如此,南韩、美国电信商近期更进一步点燃LTE-A商转战火。

 随着行动通讯技术不断“加料”,行动装置射频FAM也须在有限空间内导入高整合设计。目前多频多模LTE手机须支援十几个频段,搭载PA、LNA和射频开关数量皆较3G手机倍增,其中PA需七至八颗、LNA和开关则需二十到三十颗;未来手机迈向更高速、频宽更大且使用频段更多元的LTE-A和5G,射频元件用量更将三级跳,驱动晶片商提高产品整合度,以缩减占位空间及功耗。

 麦正奇分析,传统砷化镓射频方案受限于制程特殊性,难与其他系统零组件整合,因此晶片商正猛踩油门推进新一代制程与封装技术。如英飞凌主攻矽锗碳材料制程,并搭配小型晶圆级封装(WLP)方案,打造高效能、高整合度且支援高频切换的单晶微波积体电路(MMIC)LNA;而高通(Qualcomm)亦推出CMOS PA,透过CMOS制程整合更多周边元件。

 麦正奇透露,矽锗碳在射频性能、品质和可靠度表现方面皆可媲美砷化镓,且更容易整合CMOS射频开关或其他零组件;因此,这几年矽锗碳元件出货量暴冲,在MMIC LNA市场的渗透率已与砷化镓元件相当。近期,英飞凌矽锗碳MMIC LNA更顺利打进联发科多频多模LTE公板建议清单,可望在今年底至明年继续提高市占率。

 至于PA部分,麦正奇认为,其主掌射频讯号发送须更高功率与稳定度,目前仍以材料特性较佳的砷化镓方案为主,但CMOS PA挟成本和功能整合度优势,未来则可望在低阶手机市场崛起。此外,英飞凌亦已将矽锗碳LNA加PA的系统封装(SiP)或单晶片整合方案列入下一代产品蓝图,有助手机厂兼顾射频性能与系统体积。

 不过,由于LTE-A与5G规格尚未完全底定,业界亦传出手机厂为达到高速高品质传输效能,必须舍弃整合型射频方案转向分离式设计;对此,麦正奇回应,目前确实有射频晶片商投入研究更前瞻的氮化镓(GaN)制程,并以外挂方式提升射频系统功能,但是元件整合一向是产品降价和省电的关键,因此仍须等通讯标准定论后,才能依规格需求找出最佳的设计平衡点。