RF-SOI 优化衬底—当代射频和毫米波前端的核心

稿源：Soitec

1. 总体介绍

Wi-Fi（IEEE 802.11）自 20 多年前问世以来一直在不断发展，以满足人们不断增长的对更高数据传输速率以及更多场所和室内覆盖范围的需求。最近推出的 Wi-Fi 6 和 6E – Wi-Fi 6（E）–除了提高数据传输速率和覆盖范围，和 5G 互补实现全面的室内和室外连接，还着重于提高数据吞吐量，扩展通道容量和降低干扰， 如图 1 所示。

图 1. Wi-Fi 6（E）和5G结合可实现充分连接

数据吞吐量根据传输的数据类型不同来实现差异化，数据速率考虑了所有数据，包括管理和控制数据。数据吞吐量仅指用户数据–有用的有效负载。Wi-Fi 6（E）优化了传输的数据包结构，因此与以前的 Wi-Fi 标准相比，它包含的有效负载百分比更高。

随着世界各地的家庭和场所拥有大量的连接“物”，从婴儿监护仪到智能超高清（UHD）显示器，Wi-Fi 标准的发展需要解决，以解决互连设备数量的爆炸式增长。根据[1]，到 2023 年，公共 Wi-Fi 热点的数量将增加四倍，达到近 6.28 亿个，其中 11％将是 Wi-Fi 6（E）。

本篇白皮书是该系列的第二部分， 同以前的 Wi-Fi 标准相比，将介绍一些最具创新的 Wi-Fi 6（E）的 新特性，以及它们如何推动射频前端的发展。然后对于如何帮助解决这些挑战，提供 Soitec 的 RF-SOI 衬底的使用指导，并针对如何持续创新以更好地满足当前及未来的 Wi-Fi 应用中的需求，阐述我们的观点。

2. Wi-Fi 6（E）用于下一代连接

Wi-Fi 6（E）实现了具有挑战性的家庭应用场景，例如游戏 UHD 虚拟现实（VR）流及其与大量其他连接设备的共存，例如越来越流行的具有语音识别功能的智能助手。在办公室和大型场所，Wi-Fi 6（E）通过可靠的网络连接提供无缝的体验，同时改善了移动的和分布式设备（如智能手机和笔记本电脑）的电池消耗–插入供电设备的功耗也得到了改善。

为了兑现其承诺，Wi-Fi 6（E）依赖于以下工艺和技术，例如：

空间复用和频率共存

广带宽上的高阶数据调制

上行（UL）/下行（DL）正交频分复用访问（OFDMA）和多用户–多输入多输出（MU-MIMO）

调度和目标唤醒时间（TWT）

新的 6GHz 频谱

从我们的角度来看，该列表并不完整，但代表了 Wi-Fi 6（E）中实现的一些最具创新性的功能。

2.1 空间复用和频率共存

Wi-Fi 是一种半双工标准，在任何给定时间，只有一个无线电信号可以在频道上进行传输。如检测到指定信道被另一无线电信号使用，则对待发送的无线电信号加入等待时间。由于可用频谱有限，许多无线电信号可能分配给同一信道，因此等待时间可能相当长。鉴于 Wi-Fi 网络中移动和分布式设备的数量不断增加，这可能导致频谱使用效率低以及服务质量下降。在图 2 的示例中，连接到热点 AP-1 的分布式用户将对其它希望通过热点 AP-4 使用信道 100 的用户施加等待时间。

图 2. 频率共存冲突

为了更好地利用频谱，Wi-Fi 6（E）实现了自适应信号强度阈值。在图 3 的示例中，当设备A 检测到信号强度为-96dBm 时，它将保留通道 100 与发出该信号的设备 B 进行通信-两者都将变为蓝色的一组。设备 A 和B 将提高所需的检测信号强度水平，对尝试使用信道 100 的任何设备加入等待时间。在此示例中，将此信号强度提高到-96dBm 和-83dBm 之间的水平将允许设备 C 再次使用信道 100，而不会与那对蓝色设备之间通信产生冲突。

图 3. 用于频率共存的 Wi-Fi 6（E）自适应信号强度阈值

这项技术加强了已有的对信号检测和与背景噪声区分的严格要求-系统中任何不需要的信号在此都被定义为噪声。在图 4 的示例中，显示了在具有数个公寓单元的居民区中 Wi-Fi 信道的典型用法；每个位置有 31 个 2.4 GHz 和 49 个 5 GHz 的热点（AP) [2]。

图 4. 2.4GHz 和5GHz Wi-Fi 的利用率（捷克布拉格住宅区）

图5 显示了5G 的N7（FDD）、N40（TDD）和N41（TDD）频段与Wi-Fi 2.4GHz 以及5G 的N79（TDD） 和 Wi-Fi 5.8GHz 频段之间的接近程度，使发送时不产生干扰而接收时有足够高的灵敏度非常具有挑战性， 这增加了 Wi-Fi 射频前端（RFFE）设计的复杂性。

图 5.5G和 Wi-Fi 频段的接近度

图 6（a）显示了蜂窝射频前端（RFFE）的如何干扰相邻的Wi-Fi 频段。同样，Wi-Fi射频前端（RFFE）也干扰相邻蜂窝频段，如图 6（b）所示。把干扰源降低到无害水平需要精心的设计和工艺选择。

2.2 广带宽上的高阶数据调制

在 Wi-Fi 6（E）中，为了提高数据吞吐量，首次采用 1024QAM 调制方案，同时利用与前几代相同的信道带宽并有效利用新的 6GHz 带宽。这种方案对发送电路的动态误差矢量幅度（D–EVM）增加了新的限制， 需要发送电路具有很高的线性度和抗干扰性。

信号路径之间的隔离（抗串扰）对于防止有害信号从系统的一部分泄漏到另一部分非常重要。同样，线性度对于防止任何干扰源影响射频前端（RFFE）的正常功能也非常重要。图 7 显示了 HR-SOI（非富陷阱SOI）和 iFEM-SOI（富陷阱 SOI）衬底的串扰抗扰性，两种材料都各自广泛应用于传统和现代的 Wi-Fi射频前端（RFFE），我们将在 2.3 节中讨论线性度。

2.3 DL/UL OFDMA 和 MU-MIMO

在 Wi-Fi 6（E）中，热点（AP）决定哪些设备用于发送/接收，何时使用什么资源以及发送多少数据，这与先前 Wi-Fi 版本的分权式相反。如图 8 所示，这可以对于不同类型设备产生的各种大小的数据包更有效地利用频谱，OFDMA 可按时间和频率分配用户数据包，而 OFDM 仅在时域上分配用户数据包。

为了达到 Gbps 数据速率，Wi-Fi 6（E）可以将 OFDMA 与广带宽上的高阶数据调制相关联，如 2.2 节所述。这会导致信号波形非常复杂，从而使Wi-Fi射频前端（RFFE）的记录具有线性。图 9 显示了使用Soitec 的iFEM-SOI 和 RFeSITM 衬底（均为富陷阱 SOI）可以实现的线性度，并将其与 HR-SOI 的性能进行了比较。

MU-MIMO 利用热点（AP）的多个射频前端和天线，允许多个用户设备同时通信。通过更有效地利用发送时间，独特调制的多个数据帧可以同时发送。图 10 显示了为实现 MU-MIMO 功能而增加的射频前端（RFFE）的 BoM。

图 11 显示了与收发器中集成低噪声放大器（LNA）相比，在射频前端（RFFE）中集成 LNA 的优势（本案例中提高了 0.9dB），在传统的 Wi-Fi 芯片设计中通常是这样的。 RF-SOI 是实现射频开关的标准技术，并且与 CMOS 工艺完全兼容，可直接用于噪声系数（NF）优化的 LNA  实现。

2.4 调度和目标唤醒时间（TWT）

目标唤醒时间（TWT）是 Wi-Fi 6（E）中引入的一种节能特性，可帮助容纳更多数量的设备连接（如 IoT 设备），同时与前几代 Wi-Fi 相比功耗相仿或更低。睡眠和唤醒时间由应用程序（如视频流）驱动，每个连接的设备都可以与 AP 特定的请求进行“协商”；最后一个决定是否批准或拒绝此类请求。这样，不仅可以优化功耗，还可以优化频谱资源的访问。

供应商可以实现专有算法来优化功耗和频谱访问（以及最终数据速率），从而在竞争非常激烈的 Wi-Fi 市场中保持优势。

为了实现更智能的Wi-Fi 6（E），还需要数字内容、控制、存储器和其他支持功能，CMOS RF-SOI 可以有效集成这些支持功能，从而使干扰最小化。图 12 展示了不同类型衬底中的数字噪声[3]。

2.5 新的 6GHz 频谱

前几代 Wi-Fi 一直在 2.4 至 5.8GHz 之间划分的约 400MHz 频谱上运行。从 2020 年开始，美国联邦通信委员会批准在美国的 6GHz 频段中额外使用1200MHz，并且据报道其它国家将在短期内采取类似方案[4] [5]。

基于新的可用频谱，几个高达 160MHz 的信道可以用于实现多 Gbps 数据速率传输。此外，这种额外的频谱资源将有助于最小化信号干扰。

由于兼容 CMOS 工艺，RF-SOI 技术提供了一个良好的平台，可实现多用户多频段 Wi-Fi 射频前端（RFFE） 更高度的集成。完全集成的 Wi-Fi射频前端（RFFE）[6]简化了 2x2、4x4 甚至 8x8 MIMO 射频前端（RFFE） 的实现，从而降低复杂性并改善芯片面积，因为连接的设备，不论移动设备、分布式设备还是固定设备变得越来越受尺寸限制，参见图 10。此外，在某些情况下，这种集成还可以降低功耗，因为射频前端（RFFE）中可以集成更多节能技术。

3. 用于 Wi-Fi 的 RF-SOI 衬底创新

由于每年依赖 Wi-Fi 连接的无线应用的显著增加，我们不难看到来自射频前端（RFFE）功耗、性能和集成度方面的压力共同增加，总拥有成本（TCO）对于射频前端（RFFE）也是不可忽略的限制，因为大多数的Wi-Fi 的最终应用都是各类消费者应用。Soitec 推出了一种创新的衬底，可在射频前端（RFFE）的线性性能和成本之间取得一种最佳的权衡。Soitec 的 iFEM-SOI 与 RFeSITM 类似，是一种富陷阱的衬底，它在隔离和抗噪声方面具有与富陷阱 SOI 技术相同的固有优势，并具有优化成本下的适当的线性性能。

图 7、9 和 12 显示了 Soitec 的 iFEM-SOI 与传统的非富陷阱 HR-SOI 衬底相比，具有明显的性能优势。这与所期望的富陷阱 RF-SOI 衬底如 RFeSITM 衬底的性能一致，它是高性能低成本 Wi-Fi 应用中的绝佳替代品。

4. 结论

随着 Wi-Fi 不断发展，为满足现在应用中对更大的容量，更高的数据吞吐量和最小延迟的需求，前几代 Wi- Fi 射频前端（RFFE）中使用的晶圆上的 CMOS 或 SiGe 等半导体工艺正达到其性能极限。

Wi-Fi 6（E）可以依靠先进的射频前端（RFFE）半导体工艺以及数十年来不断完善的技术。这些工艺是研发人员、材料提供商、晶圆代工厂、设计公司无、封测厂商、智能手机制造商、运营商和许多其它机构多年密切合作的结果。 RF-SOI 优化衬底上的 CMOS 就是其中一种技术，Soitec 的 HR-SOI，iFEM-SOI 和RFeSITM 系列产品在 RF-SOI 优化衬底成为先进射频前端（RFFE）的行业标准过程中做出了巨大贡献。

Soitec 的 iFEM-SOI 对 Wi-Fi 射频前端（RFFE）而言，是 RFeSITM 系列产品的绝佳补充，这些选择使射频前端（RFFE）设计人员和集成商可以在合适的射频性能和成本之间取得均衡。

5. 参考书目

[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