射頻開關分類及RF開關市場發(fā)展趨勢分析

射頻開關分類及RF開關市場發(fā)展趨勢分析

射頻開關的作用是將多路射頻信號中的任一路或幾路通過控制邏輯連通,以實現(xiàn)不同信號路徑的切換,包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等,以達到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的.射頻開關的主要產(chǎn)品種類有移動通信傳導開關、Wi-Fi開關、天線開關等,廣泛應用于智能手機等移動智能終端.智能手機可能包含10多個RF開關設備.

射頻開關的的工作原理當射頻開關的控制端口加上不同電壓時,射頻開關各端口將呈現(xiàn)不同的連通性.以單刀雙擲射頻開關為例,當控制端口加上正電壓時,連接端口1與端口3的電路導通,同時連接端口2與端口3的電路斷開；當控制端口加上零電壓時,連接端口1與端口3的電路斷開,同時連接端口2與端口3的電路導通.射頻開關工作原理示意圖

射頻開關的分類開關類型英文簡稱作用單刀單擲SPST將信號從一個輸入傳遞到一個輸出，即它連接或斷開信號單刀雙擲SPDT將信號從一個輸入傳遞到兩個輸入之一單刀多擲SPnT將信號從一個輸入傳遞到多個輸出之一雙刀雙擲DPDT-旁通開關--

場效應晶體管FET是構成RF開關的重要元素,因此FET的非理想特性會嚴重影響開關性能.在低阻抗狀態(tài)下,FET源級漏級之間的導通電阻不為零,所以信號通過FET時會產(chǎn)生能量損失,反映在指標上就是插入損耗.FET開關的插入損耗可重復性強,可以建立有效模型,在需要高精度的應用中,可以進行適當校準和補償.除此之外,開關在關斷狀態(tài)下,信號還會通過FET寄生電容漏電,可以用隔離度指標進行量化.FET的非線性,也產(chǎn)生互調(diào)和諧波失真.輸入1dB壓縮點是表征線性度的指標,當插入損耗相比于低輸入功率情況下下降1dB是的輸入能量水平就是IP1dB.P1dB越高,線性度越好.FET開關可以處理的功率或者能量是有限的,因此也有最高能量指標.開關的速度可以用轉換時間和建立時間來表示,也就是表示開關轉換信號路徑的速度.開關的轉換時間TSW和建立時間TS

開關場效應晶體管（FET）用作三端口器件,其中源極和漏極端口形成用于RF信號的傳導路徑或通道,柵極端口被施加直流電壓來控制通道開閉.大多數(shù)開關FET使用耗盡型模式,也就是說沒有施加電壓時,溝道通常處于其低電阻狀態(tài),而漏極和源極施加負電壓時,溝道處于高電阻狀態(tài).單刀雙擲開關結構

隨著單片RF開關技術的發(fā)展,設計的復雜度從簡單的單刀單擲、串聯(lián)、窄帶寬結構過渡到了多刀多擲、寬帶、多串聯(lián)、多分流的復雜構造開關.同時,最大入射RF功率也增加到30dBm至33dBm的范圍.在過去幾年中,GaAspHEMT,SOIMOSFET和PIN二極管技術得以采用,來解決原有的材料散熱問題,并且可以處理20瓦范圍內(nèi)的入射功率水平的高頻開關.射頻和微波頻率下的100瓦連續(xù)波能量.

隨著頻率增加到毫米波的范圍,AlGaAs/GaAs異質(zhì)結PIN二極管集成開關可以將功率處理提高到40瓦,在極高頻率下的性能卓越.基于GaNHEMT技術利用碳化硅,藍寶石或高電阻率硅襯底的控制部件也被采用,來替代傳統(tǒng)的硅和GaAs工藝,用于高功率處理.

GaN工藝相比于GaAs和SiC有其獨有的優(yōu)勢,例如擊穿電場強度是硅和GaAs的十倍,在高功率上應用優(yōu)勢明顯；介電常數(shù)和硅、GaAs以及SiC相比降低了50%,并且能量密度大幅度提升,因此在高頻高功率具有顯著優(yōu)勢.GaNHEMT器件在高功率控制上,尤其是射頻、微波毫米波領域的優(yōu)勢是非常明顯的.但是GaNHEMT的導通電阻典型值為6.25ohmxmm,相對較大,會限制其在高頻高擺幅時的應用,高功率輸出時有線性度限制.GaNHEMT器件電流電壓關系圖

基于CMOS工藝的SOIMOSFET也是適合于高功率高頻率開關的有源器件,導通電阻可以達到1.0ohm*mm和2.0ohm*mm,關斷時的電容可以達到250fF/mm和30fF/mm.綜合各方面性能,SOI與GaAspHEMT開關性能接近,可以用在RF微波頻率.即使和GaNHEMT相比,SOIMOSFET的導通電阻也很低,在RF上優(yōu)勢明顯.

二、RF開關市場分析

5G智能手機需要接收更多頻段的射頻信號,根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)總結,2011年及之前智能手機支持的頻段數(shù)不超過10個,而隨著4G通訊技術的普及,至2016年智能手機支持的頻段數(shù)已經(jīng)接近40個；因此,移動智能終端中需要不斷增加射頻開關的數(shù)量以滿足對不同頻段信號接收、發(fā)射的需求.與此同時,智能手機外殼現(xiàn)多采用手感、外觀更好的金屬外殼,一定程度上會造成對射頻信號的屏蔽,需要天線調(diào)諧開關提高天線對不同頻段信號的接收能力.

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2010年以來全球射頻開關市場經(jīng)歷了持續(xù)的快速增長,2017年全球市場規(guī)模達到14.47億美元,2017年及之后增速放緩,但預計到2020年期間仍保有9.5%的年化增長率,預計到2020年達到19.01億美元.2010-2020年全球射頻開關銷售收入及預測

目前RF開關的主要市場被海外公司占領,主要包括Skyworks、Qorvo、博通、恩智浦、英飛凌、Murata等.這些主要玩家仍在不斷進行生產(chǎn)技術創(chuàng)新來提高企業(yè)效率.國內(nèi)的公司則有銳迪科、卓勝微、唯捷創(chuàng)芯、韋爾股份等.卓勝微公司的射頻前端芯片應用于三星、小米、華為、vivo、OP射頻開關分類及RF開關市場發(fā)展趨勢分析[圖]2019年06月13日13:41:26字號:T|T

射頻開關的作用是將多路射頻信號中的任一路或幾路通過控制邏輯連通,以實現(xiàn)不同信號路徑的切換,包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等,以達到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的.射頻開關的主要產(chǎn)品種類有移動通信傳導開關、Wi-Fi開關、天線開關等,廣泛應用于智能手機等移動智能終端.智能手機可能包含10多個RF開關設備.

射頻開關的的工作原理當射頻開關的控制端口加上不同電壓時,射頻開關各端口將呈現(xiàn)不同的連通性.以單刀雙擲射頻開關為例,當控制端口加上正電壓時,連接端口1與端口3的電路導通,同時連接端口2與端口3的電路斷開；當控制端口加上零電壓時,連接端口1與端口3的電路斷開,同時連接端口2與端口3的電路導通.射頻開關工作原理示意圖

射頻開關的分類開關類型英文簡稱作用單刀單擲SPST將信號從一個輸入傳遞到一個輸出，即它連接或斷開信號單刀雙擲SPDT將信號從一個輸入傳遞到兩個輸入之一單刀多擲SPnT將信號從一個輸入傳遞到多個輸出之一雙刀雙擲DPDT-旁通開關--

場效應晶體管FET是構成RF開關的重要元素,因此FET的非理想特性會嚴重影響開關性能.在低阻抗狀態(tài)下,FET源級漏級之間的導通電阻不為零,所以信號通過FET時會產(chǎn)生能量損失,反映在指標上就是插入損耗.FET開關的插入損耗可重復性強,可以建立有效模型,在需要高精度的應用中,可以進行適當校準和補償.除此之外,開關在關斷狀態(tài)下,信號還會通過FET寄生電容漏電,可以用隔離度指標進行量化.FET的非線性,也產(chǎn)生互調(diào)和諧波失真.輸入1dB壓縮點是表征線性度的指標,當插入損耗相比于低輸入功率情況下下降1dB是的輸入能量水平就是IP1dB.P1dB越高,線性度越好.FET開關可以處理的功率或者能量是有限的,因此也有最高能量指標.開關的速度可以用轉換時間和建立時間來表示,也就是表示開關轉換信號路徑的速度.開關的轉換時間TSW和建立時間TS

開關場效應晶體管（FET）用作三端口器件,其中源極和漏極端口形成用于RF信號的傳導路徑或通道,柵極端口被施加直流電壓來控制通道開閉.大多數(shù)開關FET使用耗盡型模式,也就是說沒有施加電壓時,溝道通常處于其低電阻狀態(tài),而漏極和源極施加負電壓時,溝道處于高電阻狀態(tài).單刀雙擲開關結構

隨著單片RF開關技術的發(fā)展,設計的復雜度從簡單的單刀單擲、串聯(lián)、窄帶寬結構過渡到了多刀多擲、寬帶、多串聯(lián)、多分流的復雜構造開關.同時,最大入射RF功率也增加到30dBm至33dBm的范圍.在過去幾年中,GaAspHEMT,SOIMOSFET和PIN二極管技術得以采用,來解決原有的材料散熱問題,并且可以處理20瓦范圍內(nèi)的入射功率水平的高頻開關.射頻和微波頻率下的100瓦連續(xù)波能量.

隨著頻率增加到毫米波的范圍,AlGaAs/GaAs異質(zhì)結PIN二極管集成開關可以將功率處理提高到40瓦,在極高頻率下的性能卓越.基于GaNHEMT技術利用碳化硅,藍寶石或高電阻率硅襯底的控制部件也被采用,來替代傳統(tǒng)的硅和GaAs工藝,用于高功率處理.

GaN工藝相比于GaAs和SiC有其獨有的優(yōu)勢,例如擊穿電場強度是硅和GaAs的十倍,在高功率上應用優(yōu)勢明顯；介電常數(shù)和硅、GaAs以及SiC相比降低了50%,并且能量密度大幅度提升,因此在高頻高功率具有顯著優(yōu)勢.GaNHEMT器件在高功率控制上,尤其是射頻、微波毫米波領域的優(yōu)勢是非常明顯的.但是GaNHEMT的導通電阻典型值為6.25ohmxmm,相對較大,會限制其在高頻高擺幅時的應用,高功率輸出時有線性度限制.GaNHEMT器件電流電壓關系圖

基于CMOS工藝的SOIMOSFET也是適合于高功率高頻率開關的有源器件,導通電阻可以達到1.0ohm*mm和2.0ohm*mm,關斷時的電容可以達到250fF/mm和30fF/mm.綜合各方面性能,SOI與GaAspHEMT開關性能接近,可以用在RF微波頻率.即使和GaNHEMT相比,SOIMOSFET的導通電阻也很低,在RF上優(yōu)勢明顯.

二、RF開關市場分析

5G智能手機需要接收更多頻段的射頻信號,根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)總結,2011年及之前智能手機支持的頻段數(shù)不超過10個,而隨著4G通訊技術的普及,至2016年智能手機支持的頻段數(shù)已經(jīng)接近40個；因此,移動智能終端中需要不斷增加射頻開關的數(shù)量以滿足對不同頻段信號接收、發(fā)射的需求.與此同時,智能手機外殼現(xiàn)多采用手感、外觀更好的金屬外殼,一定程度上會造成對射頻信號的屏蔽,需要天線調(diào)諧開關提高天線對不同頻段信號的接收能力.

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計,2010年以來全球射頻開關市場經(jīng)歷了持續(xù)的快速增長,2017年全球市場規(guī)模達到14.47億