據(jù)麥姆斯咨詢介紹，通過利用更高頻段以及頻段重組來實現(xiàn)5G移動通信，這對相關射頻元器件提出了新需求——必須能夠應對更嚴格的插入損耗要求、更大的帶寬以及更高的帶外抑制性能，同時還要能夠以更低的成本確保更小的占位面積。盡管業(yè)界已經(jīng)探索了很多種濾波技術，但在不遠的未來，該領域預計仍將在當前的聲表面波（SAW）、體聲波（BAW）和薄膜體聲波諧振器（FBAR）濾波技術上做持續(xù)的增量創(chuàng)新。在智能手機射頻前端濾波器領域，博通（Broadcom）無疑是市場領導者。

射頻前端模組和連接性市場預測（按元器件細分）

Yole技術與市場分析師Cedric Malaquin近日采訪了Broadcom首席技術戰(zhàn)略官William Muller和FBAR技術總監(jiān)Rich Ruby，和他們一起交流了5G時代濾波技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。Yole及其子公司System Plus Consulting和KnowMade也分別從市場、技術以及知識產(chǎn)權(quán)方面對5G應用的濾波器技術進行了深入研究。

聲波濾波器相關專利申請趨勢

以下為訪談實錄：

Cedric Malaquin（以下簡稱CM）：兩位好！請你們先介紹一下自己，以及各自在Broadcom的工作職責。

William Muller（以下簡稱WM）：我目前在Broadcom的職位是首席技術戰(zhàn)略官。我的職責是把握手機射頻前端（RF Front End，RFFE）領域的發(fā)展，以指導我的部門分配資源。為此，我會與服務提供商和監(jiān)管機構(gòu)就方向問題（他們的需求，我們的能力）對接交流，同時也作為包括3GPP在內(nèi)的標準機構(gòu)代表。

Rich Ruby（以下簡稱RR）：我是Broadcom的FBAR技術總監(jiān)。FBAR是Broadcom版本的BAW壓電濾波器。我一直在探究“突破性”方法來改進我們的射頻產(chǎn)品（尺寸、成本、性能），同時也在關注我們?yōu)槭謾C市場開發(fā)的技術的垂直應用。

CM：請你們介紹一下Broadcom，其產(chǎn)品供應及面向的市場？

WM：Broadcom是一家多元化的公司，廣泛專注于通信市場、企業(yè)存儲、工業(yè)和企業(yè)軟件等技術。我和Rich Ruby所在的無線半導體部門，專注于為射頻前端開發(fā)多技術模組。我們的客戶都是全球領先的手機制造商。

Broadcom射頻前端模組

CM：請介紹一下2018年Broadcom的總體表現(xiàn)。

WM：Broadcom是一家上市公司，您可以查看相關的財務報告，就我而言，我會說表現(xiàn)“不錯”。

CM：在您看來，5G非獨立組網(wǎng)模式（Non-Standalone，NSA）的影響是什么，意味著LTE和5G的雙連接？

WM：目前看來早期5G的推出大多數(shù)都是非獨立組網(wǎng)（NSA）。這在很大程度上取決于經(jīng)濟因素，因為轉(zhuǎn)換為5G核心網(wǎng)需要大量的投資。NSA允許數(shù)據(jù)通過NR鏈路（NR是5G無線空口技術）發(fā)送，而網(wǎng)絡控制通過LTE鏈路完成。這種雙連接允許現(xiàn)有4G網(wǎng)絡控制功能，但仍然利用5G的頻譜優(yōu)勢進行數(shù)據(jù)傳輸。如果沒有此功能，5G的部署速度會慢得多。

根據(jù)定義，NSA意味著必須保持兩個鏈路才能進行呼叫。兩路同時傳輸可能導致巨大的運行挑戰(zhàn)，因為信號會以靈敏度劣化（De-sense）甚至阻礙接收的方式相互作用。因此，NSA在線性方面遇到了更大挑戰(zhàn)，并且更加需要隔離信號。這增加了高抑制濾波的作用，以最小化相互作用，以及多路復用，以共享天線端口。在5G下共享天線變得更加關鍵，因為某些頻帶的標準要求4 x 4多輸入多輸出（MIMO），這意味著必須使用4個接收天線。

CM：Broadcom預期在濾波技術方面是否會出現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新，使得在沒有額外空間和溢價的情況下解決手機中持續(xù)增多的濾波器問題？

WM：就定義層面來說，突破性變革很難預期。不過，我認為更有可能的是現(xiàn)有技術的持續(xù)發(fā)展，而非某種突破性變革。已裝機使用的技術基礎似乎已經(jīng)能夠很好地支持5G目前提出的要求。迄今為止，我們已經(jīng)能夠?qū)⒚總€頻段所需的占用空間每年縮小約15~20%，從而補償增加的功能。通常，成熟的大批量工藝也比全新的工藝成本低。由于可調(diào)諧方案固有的低選擇性，因此對于多個同時連接的需求，意味著可調(diào)諧濾波并不是解決問題的答案。在我看來，5G最大的挑戰(zhàn)，并不是來自我們已有的濾波器，而是來自天線，在很多情況下我們還沒有好的解決方案。

RR：我同意可調(diào)諧濾波器不是解決問題的答案。由于載波聚合頻帶的存在，多個可調(diào)諧濾波器必須在各種“已批準”的CA頻段之間并行切換（例如，CA B1/B3/B7àCA B25.B66，B30）。

目前為止，可調(diào)諧濾波器甚至沒有表現(xiàn)出從一個頻段到另一個頻段的良好性能切換。我們還研究了新的導波SAW器件（有時稱為IHP SAW）。盡管該技術給SAW帶來了新生，從這點來說確實喜人，但由于在尺寸或性能方面和體聲波器件相比缺乏優(yōu)勢，我們預計這項技術并不具有突破性。

周期性模數(shù)（A/D）和數(shù)模（D/A）技術被提出作為一種替代濾波器的途徑。要實現(xiàn)替代濾波器所需要的寬動態(tài)范圍、線性度和功率處理（以及合理的功率預算）將極具挑戰(zhàn)。我想說的是，在接下來的5~10年內(nèi)，預計我們將會看到越來越多經(jīng)過“修飾”的壓電濾波器技術進入智能手機。

我們還研究了采用FBAR的新型環(huán)行器，但現(xiàn)在還沒有看到這種技術和手機應用的結(jié)合點。

Broadcom的FBAR濾波器芯片

CM：一旦大規(guī)模MIMO有源天線的功率水平和要求降到足夠低，Broadcom是否有意進入基礎設施市場？

WM：我們供應的射頻產(chǎn)品需要龐大的團隊才能完成。到目前為止，我們更專注于智能手機的集成解決方案，而不是其它應用。其它應用很難跟智能手機領域的需求量進行競爭。至于5G基礎設施功率水平的降低，有可能，但早期對128 x 128單元基站的興趣已經(jīng)觸及了網(wǎng)絡部署的成本現(xiàn)實，現(xiàn)在對32 x 32甚至16 x 16解決方案的興趣更大。與早期設想的小型蜂窩網(wǎng)絡相反，不少運營商預計將推出宏覆蓋。因此，相比之下，手機市場帶來的需求量就更吸引人了。

CM：就你們看來，行業(yè)是否正在為FBAR技術轉(zhuǎn)向12英寸晶圓？Broadcom在這方面的立場是什么？

RR：我們一直在評估轉(zhuǎn)向12英寸晶圓的可能性。隨著MIMO為手機增加了更多的濾波器，濾波器的數(shù)量增長最終可能會推動不止一家供應商轉(zhuǎn)向12英寸。不過，從3英寸到4英寸的轉(zhuǎn)換開始，我親自參與了多次轉(zhuǎn)換，可以說要實現(xiàn)12英寸的轉(zhuǎn)換并不容易。目前，我們有足夠的產(chǎn)能來滿足客戶的需求。

CM：在你們看來，F(xiàn)BAR技術會處理3.5 GHz以上5G新空口頻段（N77、N78、N79）嗎？哪個將成為5G的主要頻段？

WM：首先，意見略有差異。在我看來，斷言這些將普遍成為5G“主要頻段”過于草率了。例如，N41在全球范圍內(nèi)可能比N77或N79更重要。在美國，許多人認為新的毫米波頻段將成為“主要頻段”。對我而言，所謂的“主要頻段”還是要看部署的情況，我認為5G可以部署在運營商可用但未用的任何頻譜上。不過，我也確實同意，包括歐洲在內(nèi)的全球許多地方，很可能主要頻段是在N78。但是，我們不應該忘記傳統(tǒng)頻段對5G仍然很重要，尤其是潛在未充分利用的頻段，如N28、N71甚至N5。

對于您問題的要點，F(xiàn)BAR確實可以服務這些新的更高頻段。我們可以用單個聲波濾波器支持N78或N79。我們還能以具有L-C結(jié)構(gòu)以及FBAR諧振器的混合結(jié)構(gòu)支持N77。這種基于FBAR的濾波器可以解決與WiFi頻譜共存的問題，在N78和N79上實現(xiàn)異步運行，并為N78運行提供更受保護的環(huán)境。我們相信這些解決方案將用于一些被視為增加重要功能的手機中。我們預計這種解決方案不會得到普遍采用，至少在早期應用中應該不會。

RR：我認為在6 GHz以下使用的所有濾波器都將使用壓電技術或集成無源器件（IPD）。壓電技術將用于需要陡峭滾降（roll-off）和復雜多路復用的應用。對于性能不那么重要的應用，你會看到IPD技術。

但一個有趣的問題是BAW濾波器技術可以支持多高的頻率？我們已經(jīng)展示了可以滿足高達10 GHz應用的BAW濾波器技術。如果10~20 GHz頻段開放，我們也可以支持這個范圍。不過，在某些情況，可以在低損耗襯底或芯片上制作合適的濾波器，當然，進出封裝的寄生損耗也會變得過大。因此，頻率不是BAW器件的限制因素，而是替代更簡單的技術或集成方案。

Broadcom FBAR濾波器在其主要客戶中的銷售情況

CM：在已經(jīng)高度致密的功率放大器模組中，是否仍有空間集成更多的FBAR濾波器？

WM：簡單來說，是的。已經(jīng)有技術可以在射頻前端中實現(xiàn)更小的濾波器占位面積。Broadcom在這方面投入了巨大努力。我們還有相關技術可以實現(xiàn)更密集的組裝，例如雙面裝配、更小的禁止布線區(qū)（keep-out）、更密集的球柵陣列等。我們清晰地規(guī)劃了多年的路線圖，以緊跟目前已確定的行業(yè)需求。

RR：我同意。我們正在努力減少進入前端模組的所有組件的占位面積。鑒于濾波器在目前的模組中占據(jù)了最大的區(qū)域，我們一直在這個方向上努力創(chuàng)新。

CM：根據(jù)你們的技術專長以及對射頻電子產(chǎn)業(yè)的了解，你們是否看到LTE手機射頻前端濾波功能數(shù)量的限制？

WM：限制來自成本和尺寸，但如上所述，至少對于旗艦手機而言，到目前為止我們能夠跟上行業(yè)的需求。就我們目前看到的情況來說，預期的未來需求對我們來說不是問題。

RR：我曾經(jīng)在2016年寫過一篇文章，我預測每部手機將配備大約100個濾波器。今天的旗艦手機已經(jīng)包含了60多個濾波器（由各種模組和MIMO模組以及主要前端模組驅(qū)動）。我堅信未來每部手機將會包含大約100個濾波器。而且，我不認為這個數(shù)字會是大問題。如果需要更多數(shù)量的濾波器，比如每部手機300多個濾波器，那么我們會看到針對地區(qū)的手機分化（例如亞洲、美洲、歐洲等），完整支持主要區(qū)域的數(shù)據(jù)速率，而對其他區(qū)域的支持則較少。

CM：一旦5G網(wǎng)絡逐漸獨立，你們預計手機中的濾波功能是否會減少？

WM：當然是“否”。傳統(tǒng)頻段仍然需要支持。4G將在大多數(shù)網(wǎng)絡中保持活躍，遠超第一個SA網(wǎng)絡。5G還利用了載波聚合（CA）。因此，我預計在任何可見的未來都不會降低濾波要求。

RR：除了傳統(tǒng)頻段問題，為了設計適用于大部分國家和服務提供商的手機，將會始終保持高濾波器數(shù)量。減少手機中的頻段數(shù)量以支持一個國家或一個服務提供商的替代方案，看起來像早期的“諾基亞模式”，在諾基亞時代的高峰期，他們制造并支持200多種不同的手機產(chǎn)品。

CM：最后，你們還有什么需要補充的嗎？

WM：從3G向LTE的過渡對智能手機中高性能BAW濾波器提出了巨大需求，但是在網(wǎng)絡密集化的1到2年之后。FBAR濾波現(xiàn)在可以滿足這些需求，而且量非常大。我們在5G中看到了并行場景。隨著濾波器在富含MIMO的新空口環(huán)境中激增，并且隨著多路復用需求的增加，預計我們的FBAR技術將能夠繼續(xù)提供最高性能的可用解決方案。

一些OEM和運營商在他們的第一款5G智能手機方案中需要高性能BAW濾波。Broadcom憑借擴展的8英寸產(chǎn)能，不斷努力降低解決方案的尺寸，提高BAW性能和產(chǎn)能，以滿足高達6 GHz及以上要求，為滿足5G新無線電時代的需求搶占了先機。

RR：想象一下射頻濾波器如果沒有壓電諧振器的世界。手機將只能采用早期的陶瓷濾波技術（陶瓷雙工器的體積為5mm x 5mm x 30 mm）。相比之下，Broadcom FBAR濾波器的體積通常要小3000~4000倍。再想象一下世界上唯一的壓電濾波器是SAW。SAW在1 GHz或更低頻率下工作良好，但難以滿足2 GHz或更高頻率的功率、插入損耗、隔離和線性要求。

FBAR于1993年左右在惠普實驗室誕生。那是第一款用于蜂窩應用的高容量BAW技術。我們在2001年推出了第一款獨立FBAR雙工器。到2013年，我們進入了所有出售的智能手機。如今，所有高性能智能手機都使用了FBAR或其它BAW技術。簡而言之，我們可以說FBAR是現(xiàn)代智能手機的關鍵賦能技術。

微訪談：博通（Broadcom）首席技術戰(zhàn)略官William Muller和FBAR技術總監(jiān)Rich Ruby