5G進入射頻前端技術的發(fā)展前景分析

RF產業(yè)中的公司名人堂以及他們將如何受到5G發(fā)展的影響；

圖1、RF產業(yè)中的公司名人堂

雖然移動行業(yè)此前已經完成了在巴塞羅那舉行的年度移動世界大會愛情般的狂歡活動，但高科技供應商，系統原始設備制造商和移動運營商所面臨著現在尚未真正解決5G發(fā)展障礙的問題。事實上，這些發(fā)展障礙才剛剛開始。

圖2、高頻毫米波和低頻電波的傳播損耗對比

5G發(fā)展的技術問題是多方面的。其中，用于5G毫米波（通常預計工作頻率為28 GHz，39 GHz或60 GHz）的智能天線和射頻前端可能嚴重影響尚未出現的5G mmWave（毫米波）手機的性能。

圖3、5G生態(tài)系統

從移動世界大會回來后，市場研究公司（YoleDéveloppement）的射頻（RF）電子業(yè)務負責人Claire Troadec告訴我們：“盡管許多公司如高通，英特爾，聯發(fā)科和三星都在使用手機原型作為5G mmWave（毫米波）的演示平臺，但我們不相信目前手機將成為5G mmWave（毫米波）的首選應用終端形態(tài)。相比之下，5G毫米波將更加可能成為桌面或者桌面上的固定式數據調制解調器的選擇，以便消費者可以下載或者傳輸大規(guī)模流式寬帶應用”。

圖4、高通的5G 毫米波原型樣機

為什么這樣？

鑒于5G的mmWave（毫米波）頻段的高傳播損耗，方向性和對阻塞的敏感性而在業(yè)界工程師看來臭名昭著，困難重重，設計一款始終工作而不會丟失信號的5G手機并不是一件容易的事。消費者可能會被迫停留在某頁字面上或者某幅圖片上，系統轉而需要尋找其它頻段的信號。

圖5、5G在韓國冬奧會中得到應用

在移動手機中部署5G毫米波無線電的另一個挑戰(zhàn)是電池的壽命和耗電問題。在平昌2018年冬季奧運期間，三星相信已經展示了自己的5G平板電腦。雖然它運行良好，但是在移動世界大會圍繞這個酷炫的應用卻是一個驚人的警告：電池在30分鐘后就沒電了。

圖6、智能手機需要支持的頻段數越來越多

當被問到這個傳聞時，Yole的Troadec說她認為“手機5G mmWave（毫米波）廣播信號傳輸時有具有很高的能耗的問題?！彼龖岩伞按蠖鄶祻S商的領導人都在廣泛地關注這個領域?！钡a充說，她發(fā)現這些技術供應商可能會為5G新無線電（5G New Radio）應用中這個明顯有問題的系統級功耗問題提出了一些補救措施。她說，沒有人愿意在展會上進一步討論這個問題，大家都在有意回避這個問題。

圖7、28GHz 上行鏈路預算

5G mmWave（毫米波）的RF（射頻）模塊將給新興5G市場帶來的干擾并不局限于技術的變化。深受影響的是目前供應3G和4G射頻組件和模塊的供應鏈中的供應商們。

圖8、28GHz 下行鏈路預算表

由于5G mmWave（毫米波）可能允許供應商使用CMOS或者SOI技術在SoC中設計射頻前端模塊，因此該領域將為面向目前在手機生態(tài)系統架構中的“先進CMOS設計和制造廠商”進軍射頻市場敞開大門。除了英特爾和高通之外，具有進軍這一領域的候選人還包括三星，華為和聯發(fā)科。

更多的頻段，更多的射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）

隨著技術供應商與能夠處理越來越多數量的頻段的復雜RF前端（RFFE，RF front ends）模塊搏斗，移動行業(yè)取得了長足的進步。根據Troadec的說法，隨著蜂窩標準從3G發(fā)展到4G，RF前端必須應對的頻段數量從4個增加到了30個。

圖9、終端射頻前端的設計越來越復雜

智能手機中支持的頻段數量的增加只會增加射頻前端的復雜性。

但隨著5G技術和應用逐漸上線，事情將變得更加復雜。雖然理論上5G是一個單一的標準，但它有三個主要的要素：5G支持的物聯網（IoT）應用，使用sub-6 GHz頻段的5G以及使用mmWave（毫米波）的5G。在射頻技術方面，Troadec觀察到“這意味著將需要非常不相似的性能的技術一起匯集在一種設備中”。

圖10、智能手機的發(fā)貨量越來越大

這意味著5G將遵循“不同的實施階段，不同的5G版本并行開發(fā)”。換句話說，不會有單一的，統一的5G 射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends），而是“5G IoT，5G sub-6 GHz和5GmmWave（毫米波）將遵循他們自己的發(fā)展路徑，并用它們各自的RF SiP開發(fā)創(chuàng)建并行的生態(tài)系統，“她說。

圖11、射頻前端產業(yè)鏈中的主要玩家

當被要求評估每種5G技術的不同射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）的研究路徑時，Troadec說她看到5G mmWave（毫米波）技術帶來了最具顛覆性的創(chuàng)新。她預計5G mmWave（毫米波）需要重新更改設計和采用新材料。

好消息是，5G mmWave（毫米波）可以終結目前用于2G，3G和4G射頻前端系統中的基于系統級封裝（SiP，System-in-Package ）技術的復雜的前端模塊的實踐。 “您可以根據先進的CMOS或SOI技術設計每個構建模塊 - 包括功率放大器，低噪聲放大器，濾波器，開關和無源器件，”Troadec解釋說。這將為許多以前幾乎沒有無線電專業(yè)知識的數字芯片供應商提供開發(fā)SoC前端模塊的機會。

圖12、Beamforming在5G網絡中有重要的應用

同時，對于在6 GHz以下頻段中的5G技術，Troadec認為它將建立在漸進式創(chuàng)新之上。她解釋說，在這個頻段上預計目前的射頻封裝架構的修改只需在物料清單（BoM，bill of materials）中做出最少的更改即可。

由于5G 物聯網（IoT）將使用低于1 GHz 頻段的頻率，因此Troadec認為在這個頻段5G 射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）的半導體封裝所需的“很少或者幾乎沒有創(chuàng)新”。盡管如此，旨在解決由許多物聯網（IoT）設備生成的數據的傳輸問題的5G 物聯網（IoT）規(guī)范和協議尚未完成定義和標準化。

圖13、不同口味的5G技術正在并行發(fā)展

今天的射頻（RF）器件或者組件供應鏈中的名人堂

在深入研究5G中的詳細的射頻（RF）解決方案之前，讓我們先仔細研究當前的RF組件和模塊供應商。

通常，射頻（RF）前端模塊是由諸如RF開關，功率放大器（PA）/低噪聲放大器（LNA），RF濾波器和天線裝置（調諧器和開關）之類的射頻（RF）器件組件組成的。

圖14、5G用戶終端中電路的功能劃分

射頻（RF）前端模塊擁擠的供應鏈中的主要廠商包括：索尼，Murata（2014年末收購Peregrin Semiconductor），Skyworks，Qorvo，英飛凌，Broadcom（博通） / Avago，Cavendish Kinetics，TDK EPCOS，高通，海思等。

圖15、一個智能手機的典型結構

每家公司都有自己的特殊射頻（RF）部件，這些部件通常需要部署各種襯底和工藝技術。他們的工藝技術選擇范圍從RF-SOI和BiCMOS到批量CMOS，GaN和RF MEMS等。

圖16、智能手機的Beamforming

由于不同類型RF組件采用了多種工藝技術，因此今天射頻（RF）模塊的集成路徑選擇是SiP形式，而不是SoC形式。

圖17、5G網絡中的Beamforming技術

今天，對于2G，3G，4G和5G 6 GHz以下頻段（針對6 GHz以下的所有頻段）的頻段，“滿足智能手機中的嚴格的無線電性能要求將只有SiP技術這一個方法，“Troadec證實。

圖18、智能手機中的功能布局

目前沒有任何單一的射頻（RF）組件供應商擁有一切最好的技術。Troadec解釋說，在RF前端集成中，“每個構建模塊都需要非常專用的技術：使用GaAs技術的最佳PA，使用SOI技術的最佳開關，使用SAW和BAW技術的最佳濾波器以及使用SiGe技術的最佳LNA等?！?/p>

當被問及是誰會為射頻前端模塊提供SiP技術時，Troadec表示：“Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks和TDK / Qualcomm是今天唯一能夠提供SiP工藝技術的廠商?！?/p>

她解釋說，每種產品都有自己的特性要求，例如高頻模塊，中頻模塊，低頻模塊和多樣化接收模塊要么采用PAMiD集成形式（高度集成的定制模塊，性能驅動但帶有強大功能因此僅限于蘋果，三星，華為等玩家）要么采用FEMiD集成形式（在性能和成本方面提供良好折中，并受到LG和中國手機玩家等二線智能手機制造商的青睞）。

圖19、5G系統中涉及到的關鍵技術

“我們確實看到只有少數公司能夠在這種高技術混合的環(huán)境中發(fā)揮作用，”她總結道。

幾個GHz頻段以內的5G：仍然采用的是SiP方法

隨著蜂窩產業(yè)向5G方向發(fā)展，對于GHz級的5G的射頻前端模塊而言，同樣的原則（即采用SiP集成方法）仍將繼續(xù)存在。

圖20、SiP技術在5G時代中可能的應用

但據Yole稱，就SiP和封裝內部的更多集成而言，將會有一些變化。 Troadec解釋說，這些新措施包括基于SOI平臺在同一芯片（die）上集成LNA和開關，以及更多用于濾波器的晶圓級封裝以獲得裸片尺寸收益（例如，今天只有Broadcom（博通）采用這種方法，而Qorvo正在開發(fā)這種方法）。此外，晶圓級方法將適用于封裝功率放大器（今天仍然采用導線連接）以獲得裸片（die）尺寸收益。

5G mmWave（毫米波）：從SiP到SoC

5G mmWave（毫米波）射頻前端模塊毫無疑問將會徹底改變最復雜的RF（射頻）組件/模塊供應鏈。通過使用不同的工藝技術制造了大量復雜的RF（射頻）組件。相反，即將出現的是基于先進CMOS或者SOI技術實現的SoC中實現mmWave（毫米波）前端模塊的可能性。

5G mmWave（毫米波）可以在SoC中設計RF（射頻）模塊的原因有很多。

首先，5G mmWave（毫米波）意味著移動到可用的超帶寬頻譜區(qū)域，Troadec解釋說。 “因此，我們不需要很多離散的頻段來發(fā)送信息。因此射頻收發(fā)信機的架構可以簡單得多。“

結果，這也降低了對濾波器技術的限制，她解釋說。 “我們不需要在模塊中進行高端濾波。”然而，她警告說，“我們需要在不同無線電技術（4G或者低于6 GHz 的5G以及5G 毫米波）之間切換的先進的開關技術（高隔離度，高線性） “。

她還指出，在4G中，“我們使用每頻段20 MHz信號帶寬的載波聚合（carrier aggregation），并且使用了多個頻段。因此，我們需要先進的高端濾波器技術（陡峭的抑制曲線）來區(qū)分每個頻段中的每個信號。而今天只有BAW（FBAR）器件技術（MEMS技術）能夠滿足這種要求。“

另一個重要因素是5G mmWave（毫米波）將采用波束成形技術，允許它對波束進行成形，以同時向多個用戶發(fā)送信息。 “這將降低功率放大器功率發(fā)射的限制和要求。這反過來又意味著CMOS技術可以發(fā)揮作用?！八a充說：”在mmWave（毫米波）頻率下，電感變?。灰虼?，將無源器件與CMOS / SOI技術集成在一起成為可能。“

然而，Troadec重申，對于5G mmWave（毫米波）射頻模塊來說，一個限制因素似乎是整個系統的功耗。 “為什么我們需要澄清這件事情？因為它對毫米波的可以用性的影響實在太大了；但到到目前為止，沒有人愿意從技術上告訴我們?yōu)槭裁磿@樣，以及我們需要做什么”來解決這個問題。

新進入射頻器件領域的玩家

一旦行業(yè)轉向使用CMOS或者SOI技術來在SoC中設計5G mmWave（毫米波）射頻前端模塊，目前的射頻前端器件領域將從看似舒適的RF前端模塊供應商俱樂部（如Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks，以及TDK /高通）將會發(fā)生變化。

圖21、5G生態(tài)系統中的主要玩家

Troadec指出，英特爾和高通已經進入調制解調器和手機收發(fā)信機業(yè)務。他們非常有希望掌握無線射頻領域，以提供端到端的解決方案。這些公司的目標是“射頻產業(yè)鏈從到A到Z的完整的內部設計”，她說。

假如Broadcom（博通）收購了Qualcomm（高通）公司......

在Broadcom（博通）和Qualcomm（高通）公司的各種產品和技術領域，手機市場是這兩大巨頭互補業(yè)務的市場。 Troadec觀察到Broadcom（博通）在無線和Wi-Fi領域，而Qualcomm（高通）在應用處理器單元，調制解調器，收發(fā)信機，Wi-Fi / BT，再加上恩智浦（NXP）的NFC以及他們的微控制器（Microcontroller）方面具有很高的地位。

圖22、高通推動5G射頻供應鏈的整合變化

現在Qualcomm（高通）公司在5G mmWave（毫米波）領域獲得了強大的技術牽引力，而Qualcomm（高通）則專注于低于6GHz的技術解決方案，Troadec表示，如果沒有被美國總統阻止，Broadcom（博通）和Qualcomm（高通）的合并“將會產生非常高的壟斷?！彼龖岩?，“這就是為什么我們看到英特爾（Intel）變得害怕，并試圖進入這個收購討論，甚至放話要收購Broadcom（博通）?！?/p>

免責聲明：本文章轉載于CSDN 博客，版權歸原作者所有。轉載目的在于傳遞更多信息,并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責。如涉及作品內容、版權和其它問題，請聯系我們刪除！