相控阵天线已证明其对毫米波 5G 无线电的价值。聚焦波束提供的改进波束覆盖范围和数据吞吐量与定向波束控制提供的空间复用可能性相结合，使阵列天线在这些频率下的应用成必不可少的技术。使用具有独特幅度和相位设置的每个天线信号来驱动这些天线阵列需要显著地增加电路的复杂性。分布式模拟波束成形 IC，将它们放置在天线元件阵列占用空间内的阵列中，已被证明具有高度可制造性、低 RF 信号损耗和总体成本效益等优势。

然而，这些波束成形 IC (BFIC) 的实施受到了一些限制，部分原因是可用的半导体工艺技术 - bulk CMOS、SiGe、GaAs 和 GaN。 RFSOI 构成了完全优化的 BFIC 的基础，并为 5G 和其他应用提供了相控阵天线系统，例如具有更高性能和更低成本的平板电子可控卫星通信天线。在 5G 基础设施中，这些性能优势进一步扩展，以降低网络部署和运营成本。

相控阵天线已证明其对毫米波 5G 无线电的价值

硅vs硅

首先，让我们将 RFSOI 与迄今为止用于 BFIC 的其他硅工艺（bulk CMOS 和 SiGe）进行比较。与这些替代硅技术相比，RFSOI 具有几个关键的基本优势。 RFSOI 中的“SOI”代表“绝缘体上的硅”。在 SOI 中，有源层下方的半导体硅衬底被绝缘氧化物代替。高电阻率绝缘基板减少了电路几个关键区域的寄生效应，并允许晶体管之间实现更高的隔离。由于毫米波频率的高损耗，有源和无源元件内的寄生效应都很关键。

FET 结和 FET 周界处的寄生效应较低，可实现更快的晶体管开关速度。例如，GlobalFoundries 45RFSOI 器件的 Ft 和 Fmax 分别为 305GHz 和 380 GHz。这远高于同类体 CMOS 实现的 200 GHz 左右的截止频率。除了高晶体管速度（这当然对毫米波工作频段非常有帮助）之外，减少的寄生还可以改善无源元件的质量因素并降低损耗。 BFIC 需要通过放大器、衰减器和移相器的每个 Tx 和 Rx 链的复杂信号路由网络。 SOI 允许更低损耗的传输线、匹配网络、分离/组合和滤波器结构。对这些结构的改进可以显著地减少 RF 链路中的信号损失。随之而来的损耗降低会降低链中放大器的增益和 RF 输出功率要求，从而提高整体功率效率。

相控阵天线系统中的链路设计

RFSOI 与 III-IV族的工艺 对比

其次，将 RFSOI 与传统的 III-V 化合物半导体进行比较很重要。由于高载流子迁移率和晶体管击穿电压，GaAs 和 GaN 等化合物半导体可以比硅工艺具有固有的射频性能优势。然而，它们有几个缺点，使 RFSOI 在这些应用中保持优势。这些缺点包括低集成度、更高的成本以及达到最佳效率所需的非常高的 RF 功率水平。

考虑电路集成：在某些情况下，如 GaAs 和 GaN 等 III-V 族化合物半导体可以集成放大器功能（如 PA 和 LNA），但无法实现完整的 RF 前端集成。这些集成限制通常最终会迫使使用单独的基于硅的配套 IC 来实现关键功能。 RFSOI 允许使用单芯片集成 RF/毫米波、模拟和数字域中所有必需功能的极高集成度。

• 带有集成功率放大器和低噪声放大器的 Tx 和 Rx 链
• 低损耗射频开关
• 用于偏置、增益和相位的复杂控制电路更容易在硅中实现
• 数字控制、SPI 和 LVDS、存储片上波束表的存储器
• 数模 DAC 和模数 ADC 转换
• 模拟功能，例如温度和功率感应

用于 5G 相控阵天线的化合物半导体解决方案也面临更高的系统成本。 III-V 族 GaAs 和 GaN 芯片的生产成本本来就更高。与 RFSOI 的 300 毫米相比，75、100 或 150 毫米的较小晶圆尺寸，加上相对奇特且昂贵的基板材料，导致每平方毫米的成本更高。此外，GaAs 和 GaN 表现最佳的较高 RF 功率水平可能会迫使使用额外的功率分配网络将信号能量发送到多个天线元件——从而增加了损耗以及 PCB 的复杂性和成本。

相控阵天线

RFSOI 的优势转化为更高的 BFIC 性能

我们概述的优势表明，RFSOI 与 III-V 族和替代硅技术（如体 CMOS）以及 SiGe相比具有多项优势，但这如何将其转化为毫米波 BFIC 的优势？我们已经讨论了无源结构中的低损耗如何提高 RF 产品线的效率。然而，由于 RFSOI，BFIC 操作的其他几个方面可以得到改进。虽然它确实需要多年的开发，但 RFSOI 支持的独特优势可以优化构建功能模块，如功率放大器、低噪声放大器以及波束形成增益和相位控制电路，可以提取更高的效率和更高的每通道线性 RF 功率电平等在系统应用中变得很重要。

更高的隔离度 = 更高的线性射频功率和更高效的功率放大器

RFSOI 提供的晶体管之间改进的隔离能够在功率放大器和 RF 开关中“堆叠”晶体管器件，以允许更高的电压操作。在功率放大器中，这允许更高的电源电压和更高的输出阻抗，从而减少匹配损耗并提高工作效率。鉴于 BFIC 中的大量功耗发生在 Tx 模式期间的功率放大器中，这里的效率提高意味着整体无线电效率的显着提高。更高的电压摆幅也会导致更高的线性射频输出功率能力，从而允许 BFIC 的每个通道向相关的天线元件提供更多的射频功率。

对于在 TDD 模式下运行的 5G 系统，BFIC 必须有多个 RF 开关才能在 Tx 和 Rx 模式之间切换。在 TDD 开关中，RFSOI 的晶体管隔离还允许堆叠晶体管。在开关应用中，这允许增加跨开关臂的电压摆幅、更好的开关隔离度以及更低的损耗，同时保持低 Ron*Coff 品质因数。

更好的 BFIC 意味着更好的阵列天线

在无线电系统的另一个层面上，基于 RFSOI 的改进波束形成器 IC 能够改进平板电子可控相控阵天线及其在毫米波 5G 中的应用。来自这些 BFIC 的每个通道更高的线性 RF Tx 功率意味着需要更少的天线元件来实现整个阵列所需的 EIRP（辐射功率）目标。天线阵列可以完全优化以平衡增益、Rx 灵敏度和扫描性能。更少的天线元件也意味着更小的天线尺寸和更少的 BFIC。拥有更小的电路板和更少的组件可降低整个系统 BOM 成本。

这些优化的 BFIC 的效率提高也在阵列天线成本中发挥了作用。通过降低总功耗，废热管理要求也随之降低。散热器可以减小尺寸和重量，直接影响最终产品的物理尺寸。 RFSOI BFIC 具有更高的线性功率和更高的效率，可实现更小、更便宜且外观更漂亮的无线电模块，更容易隐藏在建筑物或街道设施的一侧。

AiP——毫米波天线阵列的“圣杯”

基于优化 RFSOI 的 BFICS 的低功耗也支持独特的阵列实施。天线封装 (AiP) 的前景早已得到认可，因为它允许将天线阵列经济高效地直接集成到 BFIC 周围的封装中。 AiP 可以在比标准 PCB 技术更高的频率下实现最佳天线间距。它还可以允许 BFIC 和天线元件之间的低损耗连接。最后，AiP 模块可以提供预编程到天线平面的增益和相位校准——减少或消除最终产品校准的需要（主要成本）。如果没有真正高效的 BFIC 提供的较低功耗，AiP 封装概念会随着电路的高散热需求甚至烧毁而分崩离析——缩短电路寿命并威胁封装叠片的机械完整性。

除了减少校准测试时间之外，AiP 还通过其他方式降低了系统成本。通过在模块内放置最敏感的布线，可以使用更低容差的 PCB 工艺。这减少了对数量相对较少的 PCB 供应商的依赖，这些供应商可以生产具有高可重复性毫米波布线所需的容差的PCB layout 走线。安装 AiP 的 PCB 现在也可以使用更少的最昂贵的低损耗层。最后，通过承担设计中最困难的部分，天线元件和 BFIC 接口，AiP 可以从根本上减少新毫米波天线系统的工程挑战、开发时间和成本。

更好的阵列天线带来更好的网络部署

首次使用体 CMOS 和 SiGe 等其他技术部署的毫米波 5G 相控阵天线在多个方面都存在不足。它们的效率非常低，这增加了功耗、OPEX 并产生了严重的散热问题。这些波束形成器 IC 每通道的线性输出功率也非常低。这意味着必须开发非常大的 IC 和天线阵列才能达到目标辐射功率。自然，从成本、尺寸和美学的角度来看，这是不可取的。事实上，其中一些阵列天线根本无法在不影响其他性能因素（如扫描角度）的阵列大小内满足所需的 EIRP 水平。

由基于 RFSOI 的 BFICS 支持的更好的阵列导致具有小阵列和小散热器的更小、更轻的天线。这些减小的尺寸以多种方式改进了部署。更少的风阻和重量负载意味着更低的附件成本。更小的天线也更美观，并且更容易隐藏，使它们更受当地监管机构的欢迎。

更好的毫米波天线阵列实施也可以达到 FCC 规定的辐射功率限制。这允许最大范围，考虑到与毫米波相关的更高大气损耗，这当然是至关重要的。更高的辐射功率和覆盖范围意味着需要更少的无线电单元——这可以迅速增加系统部署成本。

5G 毫米波：准备充分发挥其潜力

RFSOI 是一项基础技术，具有许多毫米波固有的优势。充分利用这些优势的优化毫米波构建块可实现更高性能的波束成形 IC。更高性能的 BFIC 允许使用更小、更便宜的相控阵天线，包括在 AiP 实施中体现的最简单和成本最低的格式。通过在强大的 RFSOI 基础上逐层构建，我们能够看到使毫米波 5G 部署能够发挥其真正潜力的系统。