2G:stä 4G:hen langattomat päivitykset määrittelivät pääasiassa uusia taajuuskaistoja ja nopeampia tiedonsiirtonopeuksia, mikä yksinkertaisesti nopeutti signaalin siirtoa.Tämä raportti paljastaa kuitenkin perustavanlaatuisen muutoksen 5G:stä alkaen – varsinkin kun ala on siirtymässä alle 6 GHz:stä millimetriaaltoon.
RF-etuosa ei ole enää yksinkertainen signaaliketju, vaan kehittynyt järjestelmä, joka on rakennettu kymmeniin taajuuskaistoihin, moniantenniryhmiin ja kantoaaltojen yhdistämiseen.Vielä tärkeämpää on, että mikään yksittäinen puolijohdeprosessi ei voi täyttää kaikkia vaatimuksia.Kytkimet, tehovahvistimet ja hiljaiset vahvistimet ovat kaikki riippuvaisia erilaisista teknisistä reiteistä.
Nykyaikaisen langattoman viestinnän todellinen haaste ei ole enää signaalien välittäminen.
Se perustuu massiivisten RF-moduulien samanaikaiseen käyttöön tiukoissa teho- ja kokorajoissa,
samalla kun varmistetaan eristys ja häiriön esto koko järjestelmässä.
Tämä on aliarvioitu tekninen este tiellä 5G:stä 6G:hen.
Raportin ydinteema
Langattoman viestinnän kehitys ei ole vain taajuuden parantamista.Nykyaikaisten RF-etupääjärjestelmien räjähdysmäinen monimutkaisuus pakottaa alan ottamaan käyttöön hybridipiiratkaisun, jossa on useita prosessiyhteistyötä.
Perusmuutos: RFFE kehittyy moduuleista järjestelmätason suunnitteluun
Moderni RF-etuosa käyttää monisiruista hajautettua arkkitehtuuria.
Erilaiset toiminnalliset laitteet vaativat täysin erilaisia valmistusprosesseja.
RF-kytkimiä, LNA:ita ja PA:ita ei voida integroida yhteen yhtenäiseen tekniikkaan.
Johtopäätös: RFFE-kehitys on siirtynyt yhden sirun suunnittelusta koordinoituun moniteknologiaekosysteemiin.
Räjähtävä monimutkaisuus: taajuuskaistat, MIMO ja kantoaaltojen yhdistäminen
- 2G-aikakausi: vain 4 taajuuskaistaa
- 4G- ja 5G-aikakausi: yli 25 toimintakaistaa
Päällekkäin 4 × 4 MIMO ja 5-kaistainen kantoaaltoyhdistelmä, langaton suunnittelu on kehittynyt yhden linkin päivityksestä laajamittaiseen rinnakkaisjärjestelmän laajennukseen.
Ydinristiriidat alle 6 GHz:n aikakaudella
- Korkeampi toimintataajuus lisää jyrkkää lisäyshäviön kasvua
- Usean kantoaallon skenaariot vaativat äärimmäistä lineaarisuutta
- Massiivinen moniantennirakenne johtaa huimaan virrankulutukseen ja asettelualueen paineeseen
Sub-6 GHz:n haasteet keskittyvät signaalihäviöön, lineaarisuuteen ja suuren tiheyden integrointiin.
mmWave ei ole päivitys, vaan täydellinen arkkitehtuurimuutos
FR2-millimetriaalto (24–52 GHz) perustuu täysin vaiheistettuun ryhmä- ja säteenmuodostustekniikkaan,
johtuen voimakkaasta etenemisvaimennuksesta korkealla taajuudella.
Array gain -kaava tarjoaa selkeitä etuja:
- Tx-vahvistus: +20log(N)
- Rx-vahvistus: +10log(N)
Korkeataajuinen viestintä ei enää riipu monisuuntaisesta säteilystä,
mutta suuntasäteen ohjaus ja laskennallinen langaton siirto.
Älypuhelimen RF-arkkitehtuuri on täysin uudelleen määritelty
- Yhdessä laitteessa on useita itsenäisiä antenniryhmämoduuleja
- Sub-6 GHz ja mmWave-järjestelmät toimivat samanaikaisesti
Ratkaisevaksi tulee kaksi suurta rajoitusta: virrankulutus ja kompaktin laitteen koko.
RF-suunnittelu on tunkeutunut syvälle mobiilijärjestelmän kokonaisarkkitehtuuriin.
Räätälöidyt prosessit: Erilaiset laitteet, erilaiset optimaaliset materiaalit
- RF-kytkin: RF SOI
- LNA: SiGe / RF SOI
- Tehovahvistin: GaAs / SiGe
Ei ole olemassa universaalia prosessia, joka kattaisi kaikki RF-skenaariot.
Suorituskykyinen langaton yhteys edellyttää heterogeenista laiteyhteistyötä.
Miksi RF SOI:sta tulee ydinalusta
- Erittäin pieni parasiittikapasitanssi ja -vastus takaavat alhaisen signaalihäviön
- Korkea eristyskyky ylikuulumisen estämiseksi
- Erinomainen kestävyys suuritehoiselle RF-kytkimelle
RF SOI hallitsee signaalin reititystä ja korkean eristyksen yhteyskerroksia.
Miksi FDSOI (22FDX) on välttämätön?
- High Fmax korkeataajuuksiselle radiotaajuudelle
- Alhainen melutaso ja erittäin alhainen virrankulutus
- Korkea SoC-integraatiokyky
FDSOI ratkaisee järjestelmäintegraation, lämmönpoiston ja tehokkuuden pullonkauloja.
Miksi SiGe on korvaamaton?
- Korkeampi läpilyöntijännite
- Ylivoimainen suuritehoinen vahvistuskyky
SiGe on edelleen ydinratkaisu suuritehoisille RF-lähdöille.
mmWave Designin trilemma
Seuraavan sukupolven RF-suunnittelussa on edessään pysyvä kompromissi:
korkeampi taajuus, suurempi lähtöteho ja suurempi integraatio,
rajoittaa tehobudjetti, lämmöntuotto ja rajallinen sisätila.
Perinteiseen bulkki-CMOS-järjestelmään verrattuna FDSOI vähentää kokonaisvirrankulutusta noin 20 %.
tarjoaa kriittisen optimoinnin 6G-korkeataajuisille päätelaitteille.
Tulevaisuuden tekninen etenemissuunnitelma
- SOI- ja SiGe-alustojen syvä yhteistyö
- Erittäin integroitu RF SoC -suunnittelu
- Digitaalisen säteenmuodostuksen laajamittainen käyttöönotto
RF-tekniikka on kehittymässä puhtaasta analogisesta piirisuunnittelusta tietojenkäsittelyyn perustuvaksi järjestelmäalaksi.
Ydinnäkemyksiä
- Räjähtävät kaistat, MIMO-asteikko ja mmWave työntävät RFFE:n systemaattiseen monimutkaisuuteen.
- Langattomat laitteistot siirtyvät teknologisen erilaistumisen aikakauteen SOI:n, SiGen ja CMOS:n rinnalla.
- Toimialan arkkitehtuuri siirtyy yhdestä radiolinkistä vaiheittaiseen ryhmä- ja usean moduulin hybridiintegraatioon.
Yhteenveto
Langattoman 5G- ja 6G-päivityksen ydin ei ole pelkkä taajuuden parantaminen.
Se työntää RF-etupään suunnittelun piirien rajojen yli kattavaan järjestelmäsuunnitteluun,
luomalla perustan seuraavan sukupolven nopealle ja suuren kapasiteetin matkaviestinnälle.