从5G时代所需的射频前端技术进行了深入剖析

2019年，我国5G商用正式启动，各大领先智能手机厂商争先恐后推出新款5G智能手机，试图抢占5G市场先机。5G通信要求智能手机将额外的射频复杂性压缩到基本相同甚至更狭窄的空间中，这需要创新的方法来支持多个同时上行链路和下行链路连接的需求，同时提供非常高的线性度和功耗管理能力。各大厂商已纷纷布局5G智能手机射频前端器件及模组。智能手机射频前端模组主要由功率放大器（Power Amplifier，PA）、低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）、天线开关（Antenna Switch）、双工器（Duplexer）、滤波器（Filter）、天线调谐器（Antenna Tuner）以及射频集成无源器件（Integrated Passive Device，IPD）等组成。

5G必将对射频前端形态产生影响，并推动着射频前端技术不断革新。中国虽然对射频前端元器件的需求量巨大，但该技术还是主要掌握在国外巨头企业；且中美贸易战硝烟四起，美国试图扼住中国5G技术发展的“咽喉”。如何突破国外大厂专利封锁和芯片断供风险？开拓中国“芯”路？正是在这样的背景下，2020年12月11日~13日，麦姆斯咨询在无锡举办了《第30期“见微知著”培训课程：射频前端核心技术》。约70名来自中国射频前端元器件产业链上下游的工业界从业人员、研究所研究人员、高校师生以及投资界精英报名参加了本期培训。麦姆斯咨询邀请了射频前端核心技术领域的知名专家和学者，以及产业界的资深从业人士，从5G时代所需的射频前端技术进行了深入剖析。

《第30期“见微知著”培训课程：射频前端核心技术》学员合影留念

一、滤波器核心技术

5G通信时代，智能手机滤波器数量将增加到百颗数量级，采用尺寸更小、性能更佳的滤波器进行集成化、模组化成为必然趋势。在智能手机射频前端所需的各种元器件中，滤波器无疑是市场份额和市场规模增长最受关注的器件。麦姆斯咨询邀请了美国伊利诺伊厄巴纳-香槟大学终身教授龚颂斌、华中科技大学副教授罗为分别讲解了5G和射频前端架构、体声波BAW滤波器和薄膜体声波谐振器（FBAR）、声表面波（SAW）滤波器的工作原理、设计、制造、封测、专利布局以及应用案例。来自COMSOL中国应用工程师钟振红则带领学员利用COMSOL软件进行了SAW和BAW滤波器仿真实操。

龚颂斌教授在射频以及毫米波机械滤波器设计、射频模拟电路设计等领域拥有16年设计经验，发表了高水平同行审阅期刊及会议文章120篇。龚颂斌教授首先从MEMS市场发展规律的角度分析了消费电子产品的价格“红海”，以及5G对射频滤波器提出的性能、尺寸和成本要求及未来发展趋势。为了让学员能深刻理解滤波器的工作原理，龚颂斌教授用生活中常见的弹簧进行了非常形象详尽的底层物理原理讲解，并对滤波器的电路结构、影响参数、可选压电材料、压电薄膜制备工艺、封装工艺等全方位分享了自己多年的研究经验。在课程后半程，针对SAW滤波器、BAW滤波器、BAW-SMR滤波器和FBAR滤波器的技术发展现状、竞争和共存关系、专利布局情况，龚颂斌教授也从学术和产业两个角度分享了自己的见解。站在国际前沿技术的制高点，龚颂斌教授对知名高校、研究机构和巨头企业的最新技术及进展信手拈来，启发式的教学风格和高深的学识“圈粉”无数！

美国伊利诺伊厄巴纳-香槟大学终身教授龚颂斌的授课风采

华中科技大学罗为副教授多年来从事以声表面波器件和体声波器件为代表的微波射频器件和传感器的研究工作，有丰富的数值计算、材料制备和器件设计经验，同国内外相关研究组有广泛的联系。罗为副教授先为学员梳理了声表面波（SAW）滤波器的基本概念、分类方式和定义，并对SAW滤波器的材料体系、结构设计、制造工艺、封装和测试进行了详细讲解。针对SAW滤波器技术发展情况，他列举了国际普遍采用的复合片法和SiO2薄膜补偿法的TC SAW、日本村田研发的IHP SAW技术、美国高通研发的ultraSAW技术并分析其实现方式。在课程中，罗为副教授还分享了自己多年来在SAW滤波器模拟和设计仿真的经验感想，为后续的实操课程奠定了理论基础。罗为副教授的授课内容详实，条理清楚，层层剖析，环环相扣，对SAW滤波器工作原理、设计、制造工艺、技术发展以及产业情况分析透彻，获得了学员的一致好评！

华中科技大学副教授罗为的授课风采

经过第一天龚颂斌教授和罗为教授深入的滤波器理论知识讲授，在培训第三天下午，来自COMSOL中国的应用工程师钟振红带领学员在电脑上进行了约四小时的SAW滤波器和BAW滤波器仿真实操训练。钟振红老师长期负责COMSOL MEMS、光学及声学行业的技术支持，拥有十余年COMSOL仿真经验，他深谙仿真过程的难点和易错点。钟振红老师机智诙谐，妙语连珠，长达四小时的仿真“实战”一点儿也不枯燥乏味。一些学员步步紧跟，看到自己的成功仿真结果，充满了成就感；还有部分学员在某个环节出现差错，只能望着自己的“半成品”叹息，但在课后不忘讨教，以期在培训结束后继续完善自己的滤波器作品。

COMSOL中国应用工程师钟振红的授课风采

二、天线调谐器和MIMO核心技术

MIMO是一种使用多根天线发送信号和多根天线接收信号的传输技术，实现在相同频带内的同一载波上传输不同信息。天线调谐器（Tuner）是位于连接发射系统与天线的一种阻抗匹配网络，用以实现信号的接收、滤波、放大、增益控制等功能，使得天线在所有应用频率上辐射功率最大。随着5G通信频率提升，信号传播衰减提高了对天线发射功率和全向灵敏度的要求，因此天线调谐器作为改善天线功率的关键器件。

赵鲁豫副教授的耦合谐振器解耦网络技术功底深厚，多年来致力于推动该技术的产业化。在培训第二天上午，赵鲁豫副教授首先讲解了射频开关、手机天线调谐方法（阻抗匹配调谐和天线孔径调谐）的基本概念。对于孔径调谐方式，主要采用调谐器开关和可调谐电容，他向学员仔细分析了寄生参数对其性能的影响，随后结合多天线的去耦滤波实例进行讲解。对于MIMO，赵鲁豫副教授首先分析了各类MIMO系统，并就MIMO系统的模型及容量等问题分享了观点。他的授课不仅让学员深刻理解课本理论知识，同时还获得了产业界最新的一手信息。

西安电子科技大学副教授赵鲁豫的授课风采

三、功率放大器和低噪声放大器核心技术

射频功率放大器（PA）和射频低噪声放大器（LNA）分别位于射频前端模组的发射端和接收端，前者负责将发射通道的低功率信号放大，后者负责将从天线接收的信号放大。从2G时代，到3G、4G时代，再到5G时代，PA在手机中的数量和成本成倍增长，并向模组化演进。

作为射频前端产业的老兵，顾建忠老师曾在业内一线的射频芯片公司和手机公司担任重要职位，并定义过多款射频前端产品。在培训第二天下午，顾建忠老师为学员带来了PA和LNA的知识盛宴。他从射频前端市场全局开始讲起，分析了PA和LNA的市场需求，以及市场上“霸主”企业的产品技术发展历程。随后，顾建忠老师对PA的类型（Class A/B/C/D/E/F），衬底材料（Si、SiGe、GaAs、GaN）选择，2G/3G/4G/5G时代的PA设计及参数性能一一进行了详细讲解。在LNA课程的讲授中，顾建忠老师从增益、噪声系数、功耗、线性度等参数分析了LNA的工作原理及影响因素。最后，他表示，随着5G时代的到来，PA会走向模组化，PA、LNA、滤波器和开关的集成度越来越高，这是一门集电学、热学和力学的多交叉学科，深度依靠经验。经过顾建忠老师半天的授课，学员对PA和LNA的技术与市场认知更为深刻！

芯朴科技（上海）有限公司创始人顾建忠的授课风采

四、其他射频前端核心技术：MEMS谐振器和振荡器、射频集成无源器件

与SAW、BAW、FBAR相比，MEMS谐振器和振荡器的工作频率相对较低（MHz级别），旨在为射频前端提供时钟信号。培训第三天上午，吴国强教授从MEMS谐振器和振荡器在射频前端的作用讲起，强调时钟信号在智能手机中的重要性——每部手机需要2~4个时钟器件为处理器、WiFi、NFC、USB等提供信号。结合自己的研究方向，他就MEMS谐振器和振荡器的理论基础知识、压电材料选择（ZnO、PZT、AlN、石英等）、制造工艺难点（取向控制、厚度控制和应力控制）分享多年积累的经验。最后，吴国强教授倾囊相授MEMS谐振器和振荡器商业化进程中存在的问题和解决方案，如：如何减小空气阻尼、如何实现晶圆级真空封装、如何优化TED（热弹性损耗）以及温度补偿方案等。

武汉大学教授吴国强的授课风采

射频集成无源器件（IPD）是实现高集成度射频前端模块的核心技术。利用高阻硅和厚铜工艺使IPD既具有半导体工艺的一致性和高集成度，又有与LTCC等传统厚膜工艺类似的射频性能。在培训第三天上午，芯和半导体科技（上海）有限公司集成无源器件技术总监陈立均老师为大家分享了智能手机模组化对定制IPD的强劲需求，定制射频IPD占据薄膜IPD市场的最大份额（占比约六成）。5G为IPD带来了新的机会，比如SAW不支持高频、BAW带宽达不到要求，IPD则是最好的选择；此外，双工器、巴伦、耦合器、功分器、衰减器等也会受益于IPD采用的半导体集成电路成熟工艺。陈立均老师在课程中重点讲解了IPD器件的设计、仿真，以及如何与封装工艺结合考量，并分享了对安森美半导体、意法半导体等厂商的高阻硅工艺、TGV工艺案例的理解。

芯和半导体科技（上海）有限公司集成无源器件技术总监陈立均的授课风采

结束语

从2016年开始，麦姆斯咨询已经开设了30期“见微知著”培训课程。四年多来，麦姆斯咨询根据MEMS和传感器产业发展需求，精心策划不同主题的课程，得到高校知名教授、研究机构学术大师、产业界企业高管及技术专家的支持及倾心授课，也受到了来自五湖四海的学员的认可！“见微知著”培训课程旨在为中国MEMS和传感器产业培养更多人才，搭建产学研的深度交流平台！在此，感谢“见微知著”培训课程师生们的支持和付出，感谢你们的建言献策！2021年，麦姆斯咨询将继续提升课程质量和服务质量，期待与新老朋友相聚于“见微知著”培训课堂！

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