射頻開關(guān)分類及RF開關(guān)市場發(fā)展趨勢分析[圖]

    射頻開關(guān)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(guān)的主要產(chǎn)品種類有移動通信傳導(dǎo)開關(guān)、Wi-Fi開關(guān)、天線開關(guān)等，廣泛應(yīng)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(guān)設(shè)備。

    射頻開關(guān)的的工作原理如下圖所示：當(dāng)射頻開關(guān)的控制端口加上不同電壓時，射頻開關(guān)各端口將呈現(xiàn)不同的連通性。以單刀雙擲射頻開關(guān)為例，當(dāng)控制端口加上正電壓時，連接端口1與端口3的電路導(dǎo)通，同時連接端口2與端口3的電路斷開；當(dāng)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(dǎo)通。

射頻開關(guān)工作原理示意圖

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射頻開關(guān)的分類

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    場效應(yīng)晶體管FET是構(gòu)成RF開關(guān)的重要元素，因此FET的非理想特性會嚴(yán)重影響開關(guān)性能。在低阻抗?fàn)顟B(tài)下，F(xiàn)ET源級漏級之間的導(dǎo)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(biāo)上就是插入損耗。FET開關(guān)的插入損耗可重復(fù)性強，可以建立有效模型，在需要高精度的應(yīng)用中，可以進行適當(dāng)校準(zhǔn)和補償。除此之外，開關(guān)在關(guān)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(biāo)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(biāo)，當(dāng)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(guān)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(biāo)。開關(guān)的速度可以用轉(zhuǎn)換時間和建立時間來表示，也就是表示開關(guān)轉(zhuǎn)換信號路徑的速度。

開關(guān)的轉(zhuǎn)換時間TSW和建立時間TS

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    開關(guān)場效應(yīng)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(dǎo)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(guān)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(guān)結(jié)構(gòu)

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    隨著單片RF開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計的復(fù)雜度從簡單的單刀單擲、串聯(lián)、窄帶寬結(jié)構(gòu)過渡到了多刀多擲、寬帶、多串聯(lián)、多分流的復(fù)雜構(gòu)造開關(guān)。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(shù)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(guān)。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(jié)PIN二極管集成開關(guān)可以將功率處理提高到40瓦，在極高頻率下的性能卓越?；贕aNHEMT技術(shù)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(yīng)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(lǐng)域的優(yōu)勢是非常明顯的。但是GaNHEMT的導(dǎo)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(yīng)用，高功率輸出時有線性度限制。

GaNHEMT器件電流電壓關(guān)系圖

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    基于CMOS工藝的SOIMOSFET也是適合于高功率高頻率開關(guān)的有源器件，導(dǎo)通電阻可以達到1.0ohm*mm和2.0ohm*mm，關(guān)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(guān)性能接近，可以用在RF微波頻率。即使和GaNHEMT相比，SOIMOSFET的導(dǎo)通電阻也很低，在RF上優(yōu)勢明顯。

    二、RF開關(guān)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(jié)，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(shù)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(guān)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(guān)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(guān)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(yù)計到2020年期間仍保有9.5%的年化增長率，預(yù)計到2020年達到19.01億美元。

2010-2020年全球射頻開關(guān)銷售收入及預(yù)測

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    目前RF開關(guān)的主要市場被海外公司占領(lǐng)，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(shù)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(yīng)用于三星、小米、華為、vivo、OPPO、聯(lián)想、魅族、TCL。目前國內(nèi)的RF開關(guān)技術(shù)還有待提高，國產(chǎn)化趨勢可以期待。

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國射頻模塊行業(yè)市場競爭格局及未來發(fā)展趨勢報告》