Dengan percepatan penerapan 5G-Advanced secara komersial dan kemajuan berkelanjutan dalam pra-penelitian 6G, sistem komunikasi seluler berkembang pesat menuju pita frekuensi yang lebih tinggi, bandwidth yang lebih lebar, integrasi yang lebih tinggi, dan konsumsi daya yang lebih rendah. Sebagai penghubung inti sistem komunikasi nirkabel, batas atas kinerja frontend RF secara langsung menentukan kapasitas jangkauan, laju transmisi, dan efisiensi energi jaringan.

Dari perspektif desain bersama antara perangkat daya aktif dan komponen frekuensi tinggi pasif, makalah ini menganalisis tantangan broadband saat ini, efisiensi tinggi, dan miniaturisasi yang dihadapi oleh frontend RF, menggabungkan evolusi terintegrasi MMIC daya semikonduktor generasi ketiga dan peran penting kapasitor keramik multilapis Q tinggi dalam jaringan pencocokan dan penyaringan RF. Makalah ini juga membahas nilai teknik optimasi kolaboratif tingkat perangkat untuk meningkatkan kinerja sistem RF secara keseluruhan, dan prospek tren perkembangan teknologi perangkat RF di era 6G.

Mulai dari penerapan stasiun pangkalan makro 5G dalam skala besar, hingga penerapan kemampuan downlink 10 Gbps di 5G-A, dan hingga arahan teknis 6G yang ditentukan seperti terahertz dan permukaan pantulan cerdas, setiap generasi iterasi komunikasi seluler memberlakukan persyaratan kinerja yang semakin ketat pada frontend RF. Saat ini, industri ini menghadapi tiga tantangan utama:

Yang pertama adalah tantangan broadbandisasi. Permintaan akan agregasi operator lintas pita di 5G-A dan cakupan pita penuh di bawah 10 GHz di 6G memerlukan amplifier daya RF untuk menampilkan bandwidth instan yang lebar. Kesulitan desain dalam mencocokkan jaringan dengan perangkat diskrit tradisional telah meningkat secara signifikan, dan karakteristik respons frekuensi perangkat pasif secara langsung membatasi batas bandwidth sistem.

Yang kedua adalah tantangan efisiensi energi. Berdasarkan tujuan "karbon ganda", efisiensi energi stasiun pangkalan telah menjadi indikator penilaian inti bagi operator. Optimalisasi arsitektur Doherty dan teknologi predistorsi digital secara bertahap mendekati hambatan teoritis. Peningkatan efisiensi energi lebih lanjut harus diperluas ke sisi perangkat, dengan upaya simultan dari iterasi proses chip aktif dan optimalisasi kerugian perangkat pasif.

Tantangan ketiga adalah tantangan miniaturisasi. Seiring dengan peningkatan jumlah saluran Massive MIMO dari 64 menjadi 128, ruang internal unit antena aktif (AAU) terus menyusut. Integrasi perangkat, pemasangan di permukaan, dan miniaturisasi telah menjadi tren yang tak terhindarkan, sehingga menuntut persyaratan yang lebih tinggi untuk keandalan paket, konsistensi, dan kompatibilitas perakitan perangkat secara otomatis.

Dalam konteks ini, peningkatan kinerja satu perangkat tidak lagi dapat memenuhi tuntutan tingkat sistem. Desain bersama dan pemilihan gabungan perangkat daya aktif dan perangkat frekuensi tinggi pasif telah menjadi jalur penting untuk menembus kinerja frontend RF.

Sebagai perangkat aktif inti dari antarmuka RF, jalur teknis penguat daya dengan cepat beralih dari solusi transistor diskrit ke solusi MMIC terintegrasi penuh. Perangkat daya semikonduktor generasi ketiga yang diwakili oleh proses LDMOS dan GaN tidak hanya terus meningkatkan tegangan tembus dan daya keluaran, namun juga sangat memajukan integrasi arsitektur.

Ambil contoh Doherty MMIC tiga tahap yang terintegrasi penuh untuk pita 5G 3,3–3,8 GHz sebagai contoh. Solusi Doherty diskrit tradisional memerlukan pemisah daya eksternal, penggabung, beberapa rangkaian jaringan pencocokan, dan sirkuit bias, sehingga menghasilkan komponen BOM dalam jumlah besar, jejak PCB yang besar, dan kontrol konsistensi perakitan yang sulit, yang secara langsung memengaruhi stabilitas hasil dan kinerja dalam produksi massal. Sebaliknya, Doherty MMIC yang terintegrasi penuh mengintegrasikan transistor pembawa, transistor peaking, pemisah daya masukan, penggabung keluaran, dan jaringan pra-pencocokan on-chip, semuanya dalam satu chip, mencapai impedansi masukan 50 Ω dan impedansi keluaran standar, yang sangat mengurangi kesulitan desain pencocokan eksternal.

Nilai inti dari perangkat terintegrasi tersebut tidak hanya terletak pada pengurangan ukuran, namun juga pada kemampuan replikabilitas kinerja. Jaringan pencocokan terintegrasi dalam chip dikalibrasi secara tepat oleh pabrikan, dengan konsistensi antar saluran yang jauh lebih baik dibandingkan solusi yang dibuat dengan perangkat terpisah. Sementara itu, mereka mendukung kontrol bias independen untuk jalur pembawa dan peaking, memungkinkan penyesuaian keseimbangan antara efisiensi dan linearitas secara fleksibel untuk berbagai skenario aplikasi, beradaptasi secara sempurna dengan beragam permintaan stasiun makro 5G, stasiun mikro, dan antena aktif Massive MIMO.

Dalam sistem frontend RF, perangkat pasif sering diabaikan, namun kinerja jaringan pencocokan impedansi, rangkaian filter bypass, dan rangkaian pemblokiran kopling/DC pada akhirnya menentukan efisiensi aktual, linearitas, dan stabilitas operasional sistem penguat daya. Diantaranya, kapasitor keramik multilayer RF (MLCC), sebagai salah satu perangkat pasif yang paling banyak digunakan, memiliki faktor Q, resistansi seri ekuivalen (ESR), induktansi seri ekuivalen (ESL), dan akurasi kapasitansi yang secara langsung memengaruhi kerugian penyisipan dan konsistensi parameter jaringan yang cocok.

Mengambil contoh kapasitor keramik RF Q tinggi seri 100B, kapasitor tersebut mengadopsi bahan dielektrik porselen dengan koefisien suhu P90, dikombinasikan dengan proses sintering keramik padat dan desain struktur induktansi parasit rendah. Mereka dapat mencapai faktor Q yang jauh lebih tinggi dan kehilangan penyisipan yang lebih rendah pada pita frekuensi tinggi dibandingkan MLCC biasa. Dalam jaringan yang cocok dengan amplifier daya RF berdaya tinggi, mereka dapat secara efektif mengurangi pembangkitan panas dan kehilangan efisiensi yang disebabkan oleh kehilangan pasif, dan meningkatkan efisiensi pengurasan amplifier daya secara keseluruhan.

Untuk skenario dengan persyaratan akurasi berbeda, kapasitor RF Q tinggi membentuk gradien toleransi lengkap: perangkat dengan tingkat akurasi ±1% cocok untuk jaringan pencocokan presisi dan skenario dengan persyaratan linearitas tinggi, memastikan konsistensi parameter antar saluran dalam produksi massal dan mengurangi biaya kalibrasi dan debugging; perangkat dengan nilai toleransi ±2% dan ±5% masing-masing menyeimbangkan kinerja dan biaya, beradaptasi dengan berbagai tingkatan peralatan RF industri dan sipil. Sementara itu, peringkat ketahanan tegangan tinggi 500 V ke atas dapat dengan sempurna beradaptasi dengan rangkaian bias tegangan tinggi dari amplifier daya berdaya tinggi. Dikombinasikan dengan teknologi terminasi timah dengan keandalan tinggi, produk ini dapat memenuhi persyaratan pengoperasian suhu luas dari -55°C hingga +175°C, dan beradaptasi dengan lingkungan aplikasi yang sulit seperti stasiun pangkalan, radar, dan ruang angkasa.

Dalam praktek desain teknik, pemilihan perangkat daya aktif dan perangkat pasif tidak dilakukan secara independen. Pencocokan kolaboratif antara keduanya menjadi kunci untuk mencapai kinerja sistem yang optimal.

Pertama adalah desain kolaboratif pencocokan impedansi. Karakteristik impedansi keluaran MMIC daya menentukan topologi dan parameter komponen jaringan yang cocok. Parameter ESR dan ESL kapasitor Q tinggi perlu dimasukkan dalam keseluruhan model simulasi pencocokan, daripada hanya menggunakan model kapasitor ideal. Simulasi gabungan menggunakan perangkat pasif Q tinggi dengan model terukur dapat meningkatkan konsistensi antara hasil simulasi dan pengujian sebenarnya, mengurangi iterasi desain, dan memperpendek siklus penelitian dan pengembangan produk.

Kedua, pengendalian kolaboratif berupa toleransi dan konsistensi. MMIC daya terintegrasi memiliki konsistensi parameter yang tinggi. Jika toleransi kapasitor yang cocok terlalu besar, ini akan menjadi sumber utama fluktuasi kinerja seluruh tautan. Dalam desain saluran RF presisi tinggi, penggunaan kapasitor Q tinggi dengan toleransi ±1% yang dipasangkan dengan MMIC terintegrasi dapat mengontrol fluktuasi penguatan antarsaluran dalam rentang yang sangat kecil, sehingga sangat mengurangi beban kerja kalibrasi sistem multisaluran Massive MIMO.

Ketiga adalah pencocokan keandalan secara kolaboratif. Dalam skenario RF berdaya tinggi, suhu persimpangan transistor daya dihantarkan ke perangkat pasif di sekitarnya melalui PCB, sementara rangkaian bias tegangan tinggi memberikan tekanan tegangan jangka panjang pada kapasitor. Memilih kapasitor RF dengan kisaran suhu yang luas, ketahanan tegangan tinggi, dan terminasi dengan keandalan tinggi dapat menyesuaikan tingkat keandalan perangkat daya, mencegah perangkat pasif menjadi jangka pendek masa pakai sistem, dan memastikan stabilitas peralatan selama layanan jangka panjang.

Di era 6G, frontend RF akan berkembang menuju pita frekuensi yang lebih tinggi, integrasi yang lebih tinggi, dan kecerdasan yang lebih tinggi, dan teknologi perangkat juga akan mengantarkan babak transformasi baru.

Pada tingkat proses perangkat, proses seperti GaN-on-SiC dan GaN-on-Diamond akan terus melakukan iterasi, sehingga semakin meningkatkan kepadatan daya dan kapasitas pembuangan panas untuk mendukung keluaran daya pada pita terahertz. Di sisi perangkat pasif, bahan dielektrik dan desain struktural dengan faktor Q lebih tinggi dan parameter parasit lebih rendah akan menjadi fokus penelitian dan pengembangan untuk memenuhi permintaan gelombang milimeter dan pita terahertz dengan kerugian rendah.

Pada tingkat bentuk integrasi, batas antara komponen aktif dan pasif akan semakin kabur. System-in-package (SiP) frekuensi radio berdasarkan integrasi heterogen dan teknologi pengemasan 3D akan menjadi arus utama, mengintegrasikan amplifier daya, amplifier kebisingan rendah, filter, kapasitor pencocokan, dan jaringan pasif ke dalam satu paket untuk mewujudkan miniaturisasi dan standarisasi frontend RF.

Pada tingkat dimensi aplikasi, teknologi inti 6G seperti antarmuka RF yang dapat dikonfigurasi ulang dan permukaan pemantul cerdas akan mengedepankan persyaratan baru dalam kemampuan penyesuaian dan kecepatan respons perangkat. Kombinasi perangkat pasif berkekuatan tinggi yang dapat disetel dan perangkat daya broadband yang dapat dikonfigurasi ulang akan menjadi arah penting untuk eksplorasi teknis di masa depan.

Teknologi RF dan gelombang mikro merupakan dukungan mendasar dari industri komunikasi nirkabel. Setiap lompatan dalam generasi komunikasi tidak dapat dipisahkan dari terobosan teknologi dan inovasi rekayasa perangkat RF. Dalam periode kritis pendalaman penerapan komersial 5G-A dan percepatan pra-penelitian 6G, menerobos batasan kinerja perangkat tunggal dan mempromosikan desain bersama dan optimalisasi bersama perangkat daya aktif dan perangkat pasif ber-Q tinggi dari perspektif sistem adalah cara yang efektif untuk menerobos hambatan kinerja frontend RF dan meningkatkan daya saing industri secara keseluruhan. Kami juga menantikan pertukaran mendalam di antara rekan-rekan industri dalam penelitian dan pengembangan perangkat, desain sirkuit, aplikasi sistem, dan aspek lainnya, untuk bersama-sama mendorong kemajuan berkelanjutan dalam teknologi RF dan gelombang mikro, serta meletakkan landasan perangkat keras yang kokoh untuk teknologi komunikasi seluler generasi mendatang.