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      2. RF-SOI 優化襯底—當代射頻和毫米波前端的核心

        2021-02-23 20:11:05 來源:Soitec

        1. 總體介紹

        Wi-Fi(IEEE 802.11)自 20 多年前問世以來一直在不斷發展,以滿足人們不斷增長的對更高數據傳輸速率以及更多場所和室內覆蓋范圍的需求。最近推出的 Wi-Fi 6 和 6E – Wi-Fi 6(E)–除了提高數據傳輸速率和覆蓋范圍,和 5G 互補實現全面的室內和室外連接,還著重于提高數據吞吐量,擴展通道容量和降低干擾, 如圖 1 所示。
         
         
        圖 1. Wi-Fi 6(E)和 5G 結合可實現充分連接
         
        數據吞吐量根據傳輸的數據類型不同來實現差異化,數據速率考慮了所有數據,包括管理和控制數據。數據吞吐量僅指用戶數據–有用的有效負載。 Wi-Fi 6(E)優化了傳輸的數據包結構,因此與以前的 Wi-Fi 標準相比,它包含的有效負載百分比更高。
         
        隨著世界各地的家庭和場所擁有大量的連接“物”,從嬰兒監護儀到智能超高清(UHD)顯示器,Wi-Fi 標準的發展需要解決,以解決互連設備數量的爆炸式增長。根據[1],到 2023 年,公共 Wi-Fi 熱點的數量將增加四倍,達到近 6.28 億個,其中 11%將是 Wi-Fi 6(E)。
         
        本篇白皮書是該系列的第二部分, 同以前的 Wi-Fi 標準相比,將介紹一些最具創新的 Wi-Fi 6(E)的 新特性,以及它們如何推動射頻前端的發展。然后對于如何幫助解決這些挑戰,提供 Soitec 的 RF-SOI 襯底的使用指導,并針對如何持續創新以更好地滿足當前及未來的 Wi-Fi 應用中的需求,闡述我們的觀點。

         

        2. Wi-Fi 6E)用于下一代連接

        Wi-Fi 6(E)實現了具有挑戰性的家庭應用場景,例如游戲 UHD 虛擬現實(VR)流及其與大量其他連接設備的共存,例如越來越流行的具有語音識別功能的智能助手。在辦公室和大型場所,Wi-Fi 6(E)通過可靠的網絡連接提供無縫的體驗,同時改善了移動的和分布式設備(如智能手機和筆記本電腦)的電池消耗–插入供電設備的功耗也得到了改善。
         
        為了兌現其承諾,Wi-Fi 6(E)依賴于以下工藝和技術,例如:

        • 空間復用和頻率共存
        • 廣帶寬上的高階數據調制
        • 上行(UL)/下行(DL)正交頻分復用訪問(OFDMA)和多用戶–多輸入多輸出(MU-MIMO)
        • 調度和目標喚醒時間(TWT)
        • 新的 6GHz 頻譜
        從我們的角度來看,該列表并不完整,但代表了 Wi-Fi 6(E)中實現的一些最具創新性的功能。

        2.1 空間復用和頻率共存

        Wi-Fi 是一種半雙工標準,在任何給定時間,只有一個無線電信號可以在頻道上進行傳輸。如檢測到指定信道被另一無線電信號使用,則對待發送的無線電信號加入等待時間。由于可用頻譜有限,許多無線電信號可能分配給同一信道,因此等待時間可能相當長。鑒于 Wi-Fi 網絡中移動和分布式設備的數量不斷增加,這可能導致頻譜使用效率低以及服務質量下降。在圖 2 的示例中,連接到熱點 AP-1 的分布式用戶將對其它希望通過熱點 AP-4 使用信道 100 的用戶施加等待時間。
         
        2. 頻率共存沖突
         
        為了更好地利用頻譜,Wi-Fi 6(E)實現了自適應信號強度閾值。在圖 3 的示例中,當設備A 檢測到信號強度為-96dBm 時,它將保留通道 100 與發出該信號的設備 B 進行通信-兩者都將變為藍色的一組。設備 A 和B 將提高所需的檢測信號強度水平,對嘗試使用信道 100 的任何設備加入等待時間。在此示例中,將此信號強度提高到-96dBm 和-83dBm 之間的水平將允許設備 C 再次使用信道 100,而不會與那對藍色設備之間通信產生沖突。

         
        3. 用于頻率共存的 Wi-Fi 6E)自適應信號強度閾值
         
        這項技術加強了已有的對信號檢測和與背景噪聲區分的嚴格要求-系統中任何不需要的信號在此都被定義為噪聲。在圖 4 的示例中,顯示了在具有數個公寓單元的居民區中 Wi-Fi 信道的典型用法;每個位置有 31 個 2.4 GHz 和 49 個 5 GHz 的熱點(AP) [2]。
         
        4. 2.4GHz 5GHz Wi-Fi 的利用率(捷克布拉格住宅區)
         
        圖5 顯示了5G 的N7(FDD)、N40(TDD)和N41(TDD)頻段與Wi-Fi 2.4GHz 以及5G 的N79(TDD) 和 Wi-Fi 5.8GHz 頻段之間的接近程度,使發送時不產生干擾而接收時有足夠高的靈敏度非常具有挑戰性, 這增加了 Wi-Fi 射頻前端(RFFE)設計的復雜性。

         
         
        5. 5G Wi-Fi 頻段的接近度
         
        圖 6(a)顯示了蜂窩射頻前端(RFFE)的如何干擾相鄰的Wi-Fi 頻段。同樣,Wi-Fi 射頻前端(RFFE)也干擾相鄰蜂窩頻段,如圖 6(b)所示。把干擾源降低到無害水平需要精心的設計和工藝選擇。

         


        2.2 廣帶寬上的高階數據調制

        在 Wi-Fi 6(E)中,為了提高數據吞吐量,首次采用 1024QAM 調制方案,同時利用與前幾代相同的信道帶寬并有效利用新的 6GHz 帶寬。這種方案對發送電路的動態誤差矢量幅度(D–EVM)增加了新的限制, 需要發送電路具有很高的線性度和抗干擾性。
         
         

        信號路徑之間的隔離(抗串擾)對于防止有害信號從系統的一部分泄漏到另一部分非常重要。同樣,線性度對于防止任何干擾源影響射頻前端(RFFE)的正常功能也非常重要。圖 7 顯示了 HR-SOI(非富陷阱SOI)和 iFEM-SOI(富陷阱 SOI)襯底的串擾抗擾性,兩種材料都各自廣泛應用于傳統和現代的 Wi-Fi 射頻前端(RFFE),我們將在 2.3 節中討論線性度。

        2.3 DL/UL OFDMA MU-MIMO

        在 Wi-Fi 6(E)中,熱點(AP)決定哪些設備用于發送/接收,何時使用什么資源以及發送多少數據,這與先前 Wi-Fi 版本的分權式相反。如圖 8 所示,這可以對于不同類型設備產生的各種大小的數據包更有效地利用頻譜,OFDMA 可按時間和頻率分配用戶數據包,而 OFDM 僅在時域上分配用戶數據包。

         
        為了達到 Gbps 數據速率,Wi-Fi 6(E)可以將 OFDMA 與廣帶寬上的高階數據調制相關聯,如 2.2 節所述。這會導致信號波形非常復雜,從而使Wi-Fi 射頻前端(RFFE)的記錄具有線性。圖 9 顯示了使用Soitec 的iFEM-SOI 和 RFeSITM 襯底(均為富陷阱 SOI)可以實現的線性度,并將其與 HR-SOI 的性能進行了比較。
         
         
        MU-MIMO 利用熱點(AP)的多個射頻前端和天線,允許多個用戶設備同時通信。通過更有效地利用發送時間,獨特調制的多個數據幀可以同時發送。圖 10 顯示了為實現 MU-MIMO 功能而增加的射頻前端
        RFFE)的 BoM。

         
         
        圖 11 顯示了與收發器中集成低噪聲放大器(LNA)相比,在射頻前端(RFFE)中集成 LNA 的優勢(本案例中提高了 0.9dB),在傳統的 Wi-Fi 芯片設計中通常是這樣的。 RF-SOI 是實現射頻開關的標準技術,并且與 CMOS 工藝完全兼容,可直接用于噪聲系數(NF)優化的 LNA  實現。
         


        2.4 調度和目標喚醒時間(TWT

        目標喚醒時間(TWT)是 Wi-Fi 6(E)中引入的一種節能特性,可幫助容納更多數量的設備連接(如 IoT 設備),同時與前幾代 Wi-Fi 相比功耗相仿或更低。睡眠和喚醒時間由應用程序(如視頻流)驅動,每個連接的設備都可以與 AP 特定的請求進行“協商”;最后一個決定是否批準或拒絕此類請求。這樣,不僅可以優化功耗,還可以優化頻譜資源的訪問。
         
        供應商可以實現專有算法來優化功耗和頻譜訪問(以及最終數據速率),從而在競爭非常激烈的 Wi-Fi 市場中保持優勢。
         
        為了實現更智能的Wi-Fi 6(E),還需要數字內容、控制、存儲器和其他支持功能,CMOS RF-SOI 可以有效集成這些支持功能,從而使干擾最小化。圖 12 展示了不同類型襯底中的數字噪聲[3]。


        2.5 新的 6GHz 頻譜

        前幾代 Wi-Fi 一直在 2.4 至 5.8GHz 之間劃分的約 400MHz 頻譜上運行。從 2020 年開始,美國聯邦通信委員會批準在美國的 6GHz 頻段中額外使用1200MHz,并且據報道其它國家將在短期內采取類似方案[4] [5]。
         
        基于新的可用頻譜,幾個高達 160MHz 的信道可以用于實現多 Gbps 數據速率傳輸。此外,這種額外的頻譜資源將有助于最小化信號干擾。
         
        由于兼容 CMOS 工藝,RF-SOI 技術提供了一個良好的平臺,可實現多用戶多頻段 Wi-Fi 射頻前端(RFFE) 更高度的集成。完全集成的 Wi-Fi 射頻前端(RFFE)[6]簡化了 2x2、4x4 甚至 8x8 MIMO 射頻前端(RFFE) 的實現,從而降低復雜性并改善芯片面積,因為連接的設備,不論移動設備、分布式設備還是固定設備變

        得越來越受尺寸限制,參見圖 10。此外,在某些情況下,這種集成還可以降低功耗,因為射頻前端(RFFE)中可以集成更多節能技術。
         
         


        3. 用于 Wi-Fi RF-SOI 襯底創新

        由于每年依賴 Wi-Fi 連接的無線應用的顯著增加,我們不難看到來自射頻前端(RFFE)功耗、性能和集成度方面的壓力共同增加,總擁有成本(TCO)對于射頻前端(RFFE)也是不可忽略的限制,因為大多數的Wi-Fi 的最終應用都是各類消費者應用。 Soitec 推出了一種創新的襯底,可在射頻前端(RFFE)的線性性能和成本之間取得一種最佳的權衡。 Soitec 的 iFEM-SOI 與 RFeSITM 類似,是一種富陷阱的襯底,它在隔離和抗噪聲方面具有與富陷阱 SOI 技術相同的固有優勢,并具有優化成本下的適當的線性性能。

        圖 7、9 和 12 顯示了 Soitec 的 iFEM-SOI 與傳統的非富陷阱 HR-SOI 襯底相比,具有明顯的性能優勢。這與所期望的富陷阱 RF-SOI 襯底如 RFeSITM 襯底的性能一致,它是高性能低成本 Wi-Fi 應用中的絕佳替代品。

         

        4. 結論

        隨著 Wi-Fi 不斷發展,為滿足現在應用中對更大的容量,更高的數據吞吐量和最小延遲的需求,前幾代 Wi- Fi 射頻前端(RFFE)中使用的晶圓上的 CMOS 或 SiGe 等半導體工藝正達到其性能極限。
         
        Wi-Fi 6(E)可以依靠先進的射頻前端(RFFE)半導體工藝以及數十年來不斷完善的技術。這些工藝是研發人員、材料提供商、晶圓代工廠、設計公司無、封測廠商、智能手機制造商、運營商和許多其它機構多年密切合作的結果。 RF-SOI 優化襯底上的 CMOS 就是其中一種技術,Soitec 的 HR-SOI,iFEM-SOI 和RFeSITM 系列產品在 RF-SOI 優化襯底成為先進射頻前端(RFFE)的行業標準過程中做出了巨大貢獻。
         
        Soitec 的 iFEM-SOI 對 Wi-Fi 射頻前端(RFFE)而言,是 RFeSITM 系列產品的絕佳補充,這些選擇使射頻前端(RFFE)設計人員和集成商可以在合適的射頻性能和成本之間取得均衡。
         

        5. 參考書目

        [1] Cisco, “Cisco Annual Report (2018-2023),” February 2020
         
        [2] Axiros, “The case for WiFi optimization,” https://www.axiros.com/the-case-for-wifi-optimization available online as June 02, 2020
         
        [3] K. Ben Ali, C. Roda Neve, A. Gharsallah and J. P. Raskin, "RF SOI CMOS technology on commercial trap-rich high resistivity SOI wafer," 2012 IEEE International SOI Conference (SOI), NAPA, CA, 2012, pp. 1-2.
         
        [4] Claus Hetting, “Europe’s process to release 6 GHz spectrum to Wi-Fi on track, expert says,” Wi-Fi Now, available online as June, 2020
         
        [5] Claus Hetting, “South Korea could become Asia’s first 6 GHz Wi-Fi nation,” Wi-Fi Now, available online as June, 2020
        [6] pSemi, PE561221 monolithic SOI Wi-Fi Front End Module https://www.psemi.com/products/wi-fi-front- end-modules/pe561221, available online as July, 2020

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