RF FE
聯發科/博通/英特爾等創立OpenRF聯盟
為實現多模(Multi-mode)射頻前端(RFFE)及晶片模組中軟硬體功能的互通性,進一步朝5G開放式架構前進,多家晶片及RFFE供應商日前以產業聯盟的形式成立Open RF Association(OpenRF)。該聯盟成員包含博通(Broadcom)、英特爾(Intel)、聯發科、村田製作所(Murata)、Qorvo,以及三星(Samsung)等業者,力求為5G原始設備製造商(OEM)提供較良好的系統性能,並於RFFE晶片模組上能有更多元的選擇的同時,可縮短產品上市時間並降低總體成本。
Mobile Experts首席分析師Joe Madden表示,由於射頻前端市場已變得極度複雜,因此業界需要對此採取相應手段因應此類複雜架構。而Open RF Association透過標準化一些通用元素,進而使RFFE供應商可將研發動能聚焦在創新層面;與此同時,在非競爭領域的通用基礎元件也可望縮短產品的上市時程,並確保跨平台之間的相容性。此外,透過改善市場經濟規模,業界可望省下數百萬美元的資金,但卻不會削弱供應商間的競爭狀況。
OpenRF期望晶片供應商及OEM可實現5G RFFE模組的互通性,加速打入5G市場
為了支援RFFE及晶片模組的互通性,以利建構穩固的生態系統,OpenRF計畫推動數項舉措,如針對系列核心晶片模組及RFFE功能與介面,以實現5G基頻的互通性,並且支援供應商的創新;同時,該聯盟也規畫根據產業標準構建標準,盡可能提升RFFE的可配置性(Configurability)及有效性(Effectiveness);另一方面,該聯盟也打算開發通用的硬體抽象層(Abstraction),以增強收發器/數據機及RFFE模組介面,並規畫擬定射頻功率管理辦法。
OpenRF表示,其成立要旨為提供開源框架,在不限制創新的前提下規範軟硬體介面,並預期為5G OEM帶來多元的彈性,使其能於上市時間、成本性能與供應鏈角色之間獲取優勢,在具有眾多供應商的生態系統選擇較有利的解決方案,並於5G基頻上使用相同的RFFE。據此,該聯盟目前已獲一些全球晶片/RFFE供應商及設備製造商的支援,進一步改善傳統參考設計流程,將更有利的可調控方案加速推向市場,滿足市場需求並推進產業利益。
小米Mi 10手機採用NXP射頻前端解決方案
恩智浦半導體(NXP)宣布,小米Mi 10 5G智慧手機將採用恩智浦最新適用Wi-Fi 6標準的射頻前端(Radio Frequency Front-end, RFFE)解決方案。
高階5G裝置推動市場對效能、整合性、尺寸和Wi-Fi 6功能的嚴格要求。恩智浦RFFE解決方案具高度整合性,並採用3 mm x 4 mm緊密封裝。搭配Wi-Fi 6功能,能夠支援包含高階5G智慧手機等高階可攜式運算裝置,並以最高效能支援2x2多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)功能。恩智浦緊密型高效能RFFE解決方案能夠幫助OEM廠商縮短設計時間,並大幅加速上市時間。
小米Mi智慧手機副總裁暨硬體研發部總經理張雷表示,小米非常高興能夠與恩智浦合作,共同為該公司的旗艦5G智慧手機開發支援Wi-Fi 6功能的RFFE解決方案。恩智浦RFFE符合該公司的要求,並能提供出色的Wi-Fi 6效能,進而縮短設計時間,加速產品上市。
恩智浦的高效能WLAN11ax產品組合提供符合802.11ax Wi-Fi 6標準的2.4 GHz和5 GHz頻段,能夠支援客戶滿足對於頻寬增加不斷成長的需求。恩智浦提供的產品組合可以靈活地在這些規格範圍內擴展。恩智浦針對IEE802.11a/n/ac/ax應用提供2x2 MIMO支援。
恩智浦半導體無線電功率解決方案資深副總裁暨總經理Paul...
遵循設計訣竅 汽車RF設計挑戰迎刃解
無線汽車設計複雜度與日俱增
過去單純的交通運輸模式,已經轉變為具有複雜電腦系統的車輛,能夠讓車輛本身及我們與周遭世界連結在一起。現在車輛不但能夠自動駕駛、透過網路通訊,還可提供娛樂功能,而分析師預測,上述趨勢只會繼續成長。
根據McKinsey & Company的資料顯示,未來幾年內聯網車輛的數量每年將增加30%;於2020年前,有1/5的車輛能連上網際網路。
Strategy Analytics預測車輛處理及先進駕駛輔助系統(ADAS)RF前端(RFFE)市場,將以17%的年複合成長率(2017~2022)成為最大市場。所以汽車RF工程師要如何設計聯網車輛?首先探討的是如何克服一些汽車設計中最大的RF挑戰。
現今車輛配備許多電子裝置與世界連線。對RF系統而言,代表出現大量RFFE鏈,因車輛製造商在汽車設置更多的電信設備。圖1為一般系統範例。
圖1 汽車RF系統示意圖
汽車RF生態系統的變化,對RF系統設計人員造成以下幾項挑戰:
.整合眾多標準至車輛之中,有時需要整合為單一模組。
.因應共存疑慮,因為上述許多標準彼此之間非常接近。
.盡可能減少電子元件散發的熱能。
.因應更高的耗電量疑慮,因為所有車輛設備都使用相同的電瓶電源。
.確保產品元件具備長期可靠度。
以上挑戰不僅只存在於汽車業,而克服挑戰的策略則與其他應用類似,例如 Wi-Fi連線及行動裝置。
以下提出部分基本設計訣竅,以選擇適合汽車的RF元件:
.使用高度線性的主動或前端裝置。
.使用的元件要能在RFFE盡量降低插入損耗,並降低整體RF鏈路預算。
.留意RFFE效率、電流消耗及功率消耗等問題。
.使用高效能RF濾波器盡量減少插入損耗、溫度漂移及干擾。
.考慮使用能在單一封裝整合發射、接收及濾波功能的元件。
.使用符合汽車規範且遵循IATF及IEC業界標準的產品。
接下來將更深入探討各項設計考量因素,範圍涵蓋RF共存、整合、天線設計、熱管理、電瓶續航力及車輛可靠度。
設計無線汽車 RF共存問題待解決
串流影片使用者期望在車內享有快速可靠的服務,由網路及車內串流正迅速成為標準需求。因此重要的是盡可能減少共存問題,並在維持串流服務時降低線路損耗。不過在無線頻段及標準之間達到最大程度的共存非常困難。如果沒有使用適當的濾波功能,就會增加以下頻率發生共存問題的機率。
2.4GHz:Wi-Fi及行動通訊,例如LTE頻段41;Wi-Fi及藍牙;SDARS(衛星數位音訊無線電服務)及LTE。5GHz:Wi-Fi及V2X(802.11p及C-V2X);V2X及U-NII(非正式國家資訊基礎建設)頻段,尤其是U-NII-3。在2.4GHz(圖2)及5GHz(圖3)頻譜圖之中,顯示聯網汽車使用的無線技術頻寬有多麼擁擠。所以減輕以上共存問題的最佳方式為何?部分最佳實務包括在設計中使用高效能RF濾波器,以及高度線性的主動裝置。
圖2 2.4GHz頻譜圖
圖3 5GHz頻譜圖
.濾波器可減少無線電訊號之間的頻外干擾。
.共存濾波器可針對發射訊號減輕可能的減敏作用。
現今車輛通訊可在天線與收發器之間支援許多發射及接收路徑,而隔離這些路徑需要使用濾波器。這類濾波器必須由共存頻帶提供隔離、具備低插入損耗,盡可能降低發射耗電量;以及最佳化接收器靈敏度。
整合為RF設計要素
行動電話產業已由獨立元件轉為高度整合的系統模組。由於汽車在相同的整體車輛體積之中納入更多連線功能,汽車製造商也必須進行相同的轉移程序。
將更多功能整合至前端模組(FEM)或濾波器模組,有助於簡化RF設計(圖4)。
圖4 更多功能整合至前端模組或濾波器模組,有利降低RF設計複雜度。
這有什麼好處?整合適當的濾波器技術,可在本質上協助處置前述的共存問題,以及熱能挑戰。
車輛工程師過去只需要擔心GPS及藍牙,但現在設計時必須遵循C-V2X等新的無線標準,未來則需要因應5G新無線電(NR)規範。設計人員必須瞭解圖5顯示的所有技術,同時將其納入汽車設計之中。其中最可能的方式,就是將行動電話技術當作跳板。為此,Qorvo工程師打造RF Fusion協助客戶利用整合式解決方案,可有效降低設計複雜度,加速上市時間。許多這類複雜模組都包括嵌入式濾波器,可進一步降低RF複雜度及整體鏈路預算。
圖5 車輛工程師現必須了解更多新的無線技術並納入汽車設計中。
RFFE靠近天線有助提升訊號
請想像一具鯊魚鰭天線連接至纜線,而纜線則連往汽車其他位置的低雜訊放大器(LNA,通常位於儀表板)。使用纜線連接是傳統車輛製造普遍的實務作法,不過長距離的纜線連接,可能在天線與RFFE之間造成插入損耗(增加鏈路預算)。這種作法也會在LNA輸入增加雜訊指數(NF),尤其是行動通訊及Wi-Fi環境,並會降低訊號及接收器靈敏度。如果天線能夠接收更低的功率位準,就代表靈敏度提升。
對抗這項問題的方式之一,就是讓車頂鯊魚鰭內部的天線及RFFE元件盡可能靠近訊號輸入,並位在任何纜線之前。將RFFE整合靠近天線,就可以盡量減少 NF及提升訊號效能,而降低NF也有助於接收器靈敏度(圖6)。
圖6 降低NF有助提升接收器靈敏度。
同樣方法也可用於加強天線的發射功能。減少纜線連接,並將功率放大器(PA) 設置在最靠近天線的位置,將有助於降低插入損耗及耗電量。如果發射側在傳送訊號之前需要更多功率,也可以在鯊魚鰭使用補償器放大訊號,補償纜線長度造成的損耗及鏈路預算。
克服熱能挑戰需留意三大關鍵參數
溫度是車輛主要關鍵設計挑戰之一,包含車內及外部環境,當車輛溫度升高,將會影響系統層級的RF調校及效能。所有無線連線及電子裝置在同樣狹小的車輛體積中持續運作,因此會在受限區域內增加輻射熱。
熱能也會影響可靠度,可能危害汽車的各項安全功能。嘗試減輕熱能問題時,需要留意以下關鍵參數,分別為RFFE效率、電流消耗與功率消耗。
設計人員可使用的部分散熱方法為傳導及對流冷卻,不過僅限於車內使用。產品的精巧外型則讓熱能挑戰更加複雜。以下技巧可協助處置與熱有關的RF問題:
1.使用元件製造商提供的PC板布局檔案及評估板。最理想的作法就是要求及使用製造商設計,因為其布局在散熱及熱效率方面經過最佳化處理。
2.使用最低或沒有溫度偏移的RF濾波器。對汽車系統而言,必須使用具備出色溫度穩定度、低插入損耗及高品質因數的溫度補償濾波器(例如Qorvo的BAW技術),協助對抗各項熱(及共存)相關問題。BAW技術的溫度穩定度平均比SAW高出50%。
3.使用高度線性的前端產品。使用高度線性的前端產品可維持PA效率,有助於最佳化系統效率並減少產生熱能。請務必讓RFFE的插入損耗維持在最低程度,尤其是在高溫運作時。RFFE效能不彰會影響整個汽車系統的電流消耗,加重系統處理器的工作負擔,進而產生熱能、系統退化及消耗車輛電瓶等問題。
三大方法延長電瓶續航力
2017年的J.D. Power車輛可靠度研究(J.D. Power Vehicle Dependability Study)指出,電瓶故障首次名列車主面對的前十大問題。其中的調查結果顯示,在無關一般磨耗的部分,電瓶是最常更換的元件,三年車齡的車輛中有6.1%更換電瓶,比2016年增加了1.3%。這項研究認為,眾多新型複雜的車載電子系統(例如車用資訊娛樂系統、智慧型手機連線、語音辨識及免鑰匙系統)所增加的電流消耗,拖累了電瓶續航力。解鎖及啟動車輛的遙控鑰匙(Key Fob)就是其中一個例子。車主為了便利使用這項技術,卻可能耗盡汽車電瓶。如果遙控鑰匙放在車輛附近或內部,發射器及接收器就會持續通訊,對車輛進行回音檢查。測試顯示如果將遙控鑰匙放在車輛附近,電瓶電量耗盡的速度會比放在車外更快。隨著各種新型的無線及有線技術進軍汽車領域,請務必採取下列作法延長電瓶續航力:
.使用低耗電量的目標裝置解決方案。
.瞭解閒置及運作期間的RFFE耗電量。
.使用最低或沒有溫度偏移的濾波器。
通過認證確保RF可靠度及長期效能
對RF半導體供應商而言,汽車電子裝置部門提供穩固的營收成長前景。像是ADAS、電動車、人機介面(HMI)及連網車用資訊娛樂系統等應用的創新成果,正帶動半導體領域提供更豐富的產品,而汽車工程師必須讓RF及其他子系統緊密地配合運作。這類半導體產品也用於因應汽車業嚴格的可靠度要求。使用商用零件取代符合汽車規範的專屬產品,或許是很吸引人的作法。不過選擇專為汽車應用設計,並且通過IATF及IEC認證測試的產品,可協助確保RF系統能夠長期運作。
總而言之,汽車製造商以破紀錄的飛快速度演進發展,因應消費者在外行動的無線連線需求,並打造更能自主操作的汽車。在這項演進發展過程中,車輛內外的RF技術將更為重要。汽車製造商使用高度整合的RF元件,並以創新的智慧型手機技術為跳板,就可享有優勢開發未來的連網自駕車。
(本文由Qorvo提供)
5G基礎建設RF前端2025年規模達25.2億美元
產業研究機構Yole Développement(Yole)發表最新研究指出,電信基礎設施的射頻前端(RF FE)市場規模在2018年達到14.7億美元,預計到2025年將達到25.2億美元。在全球扁平化的電信產業中,RF FE市場在2018年至2025年期間呈穩定成長,在此期間的年複合成長率為8%。
2020年將進入市場的5G無線通訊將成為下一個行動技術標準。隨著許多創新技術的發展,新系統的建置對射頻產業產生強烈影響,因此部署了支援特定協議和操作模式的新基礎架構,例如大規模MIMO、波束成形、波束控制、載波聚合等。
目前仍有超過75%的5G天線、射頻技術相關專利正在申請中,因此Yole認為,未來幾年還會有很多變化。三星、Intel、愛立信和華為已開始將其產品組合擴展到全球。三星和英特爾似乎是目前在限制其主要競爭對手的專利活動和經營自由方面處於最佳地位的兩個領導者。而GaN、GaAs、SiGe或RF-SOI等其他平台在不久的將來會顯著成長。
在此問題上,最有趣的動態之一是GaAs的發展。隨著主動式天線系統(Active Antenna System, AAS)可能成為主流,將需要更多數量的低功率寬頻功率放大器以及諸如波束形成器之類的新元件。起初這些元件主要採用GaAs製程,尤其是出於性能方面的考量。當市場成長到足以被視為一個利基市場,其他技術如RF-SOI或SiGe有望取代GaAs,就像在手機產業取代GaAs一樣。砷化鎵將成為主動天線模組的過渡平台。