射頻開(kāi)關(guān)分類及RF開(kāi)關(guān)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析[圖]

    射頻開(kāi)關(guān)的作用是將多路射頻信號(hào)中的任一路或幾路通過(guò)控制邏輯連通，以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)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(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。射頻開(kāi)關(guān)的主要產(chǎn)品種類有移動(dòng)通信傳導(dǎo)開(kāi)關(guān)、Wi-Fi開(kāi)關(guān)、天線開(kāi)關(guān)等，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等移動(dòng)智能終端。智能手機(jī)可能包含10多個(gè)RF開(kāi)關(guān)設(shè)備。

    射頻開(kāi)關(guān)的的工作原理如下圖所示：當(dāng)射頻開(kāi)關(guān)的控制端口加上不同電壓時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)各端口將呈現(xiàn)不同的連通性。以單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)為例，當(dāng)控制端口加上正電壓時(shí)，連接端口1與端口3的電路導(dǎo)通，同時(shí)連接端口2與端口3的電路斷開(kāi)；當(dāng)控制端口加上零電壓時(shí)，連接端口1與端口3的電路斷開(kāi)，同時(shí)連接端口2與端口3的電路導(dǎo)通。

射頻開(kāi)關(guān)工作原理示意圖

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射頻開(kāi)關(guān)的分類

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    場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET是構(gòu)成RF開(kāi)關(guān)的重要元素，因此FET的非理想特性會(huì)嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)性能。在低阻抗?fàn)顟B(tài)下，F(xiàn)ET源級(jí)漏級(jí)之間的導(dǎo)通電阻不為零，所以信號(hào)通過(guò)FET時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量損失，反映在指標(biāo)上就是插入損耗。FET開(kāi)關(guān)的插入損耗可重復(fù)性強(qiáng)，可以建立有效模型，在需要高精度的應(yīng)用中，可以進(jìn)行適當(dāng)校準(zhǔn)和補(bǔ)償。除此之外，開(kāi)關(guān)在關(guān)斷狀態(tài)下，信號(hào)還會(huì)通過(guò)FET寄生電容漏電，可以用隔離度指標(biāo)進(jìn)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(diǎn)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(kāi)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(kāi)關(guān)的速度可以用轉(zhuǎn)換時(shí)間和建立時(shí)間來(lái)表示，也就是表示開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換信號(hào)路徑的速度。

開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間TSW和建立時(shí)間TS

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    開(kāi)關(guān)場(chǎng)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(hào)的傳導(dǎo)路徑或通道，柵極端口被施加直流電壓來(lái)控制通道開(kāi)閉。大多數(shù)開(kāi)關(guān)FET使用耗盡型模式，也就是說(shuō)沒(méi)有施加電壓時(shí)，溝道通常處于其低電阻狀態(tài)，而漏極和源極施加負(fù)電壓時(shí)，溝道處于高電阻狀態(tài)。

單刀雙擲開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

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    隨著單片RF開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)的復(fù)雜度從簡(jiǎn)單的單刀單擲、串聯(lián)、窄帶寬結(jié)構(gòu)過(guò)渡到了多刀多擲、寬帶、多串聯(lián)、多分流的復(fù)雜構(gòu)造開(kāi)關(guān)。同時(shí)，最大入射RF功率也增加到30dBm至33dBm的范圍。在過(guò)去幾年中，GaAspHEMT，SOIMOSFET和PIN二極管技術(shù)得以采用，來(lái)解決原有的材料散熱問(wèn)題，并且可以處理20瓦范圍內(nèi)的入射功率水平的高頻開(kāi)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(kāi)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(lán)寶石或高電阻率硅襯底的控制部件也被采用，來(lái)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(dú)有的優(yōu)勢(shì)，例如擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅和GaAs的十倍，在高功率上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)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(shì)。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(shì)是非常明顯的。但是GaNHEMT的導(dǎo)通電阻典型值為6.25ohmxmm，相對(duì)較大，會(huì)限制其在高頻高擺幅時(shí)的應(yīng)用，高功率輸出時(shí)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(kāi)關(guān)的有源器件，導(dǎo)通電阻可以達(dá)到1.0ohm*mm和2.0ohm*mm，關(guān)斷時(shí)的電容可以達(dá)到250fF/mm和30fF/mm。綜合各方面性能，SOI與GaAspHEMT開(kāi)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(shì)明顯。

    二、RF開(kāi)關(guān)市場(chǎng)分析

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

    根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年以來(lái)全球射頻開(kāi)關(guān)市場(chǎng)經(jīng)歷了持續(xù)的快速增長(zhǎng)，2017年全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到14.47億美元，2017年及之后增速放緩，但預(yù)計(jì)到2020年期間仍保有9.5%的年化增長(zhǎng)率，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到19.01億美元。

2010-2020年全球射頻開(kāi)關(guān)銷售收入及預(yù)測(cè)

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    目前RF開(kāi)關(guān)的主要市場(chǎng)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(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提高企業(yè)效率。國(guó)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(guó)內(nèi)的RF開(kāi)關(guān)技術(shù)還有待提高，國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)可以期待。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國(guó)射頻模塊行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告》