5G正在改变全球射频前端技术的发展景观

　　图1、RF产业中的公司名人堂

　　虽然移动行业上个月已经完成了在巴塞罗那举行的年度移动世界大会爱情般的狂欢活动，但高科技供应商，系统原始设备制造商和移动运营商所面临着现在尚未真正解决5G发展障碍的问题。事实上，这些发展障碍才刚刚开始。

　　图2、高频毫米波和低频电波的传播损耗对比

　　5G发展的技术问题是多方面的。其中，用于5G毫米波(通常预计工作频率为28 GHz，39 GHz或60 GHz)的智能天线和射频前端可能严重影响尚未出现的5G mmWave(毫米波)手机的性能。

　　图3、5G生态系统

　　从移动世界大会回来后，市场研究公司(YoleDéveloppement)的射频(RF)电子业务负责人Claire Troadec告诉我们：“尽管许多公司如高通，英特尔，联发科和三星都在使用手机原型作为5G mmWave(毫米波)的演示平台，但我们不相信目前手机将成为5G mmWave(毫米波)的首选应用终端形态。相比之下，5G毫米波将更加可能成为桌面或者桌面上的固定式数据调制解调器的选择，以便消费者可以下载或者传输大规模流式宽带应用”。

　　图4、高通的5G 毫米波原型样机

　　为什么这样?

　　鉴于5G的mmWave(毫米波)频段的高传播损耗，方向性和对阻塞的敏感性而在业界工程师看来臭名昭著，困难重重，设计一款始终工作而不会丢失信号的5G手机并不是一件容易的事。消费者可能会被迫停留在某页字面上或者某幅图片上，系统转而需要寻找其它频段的信号。

　　图5、5G在韩国冬奥会中得到应用

　　在移动手机中部署5G毫米波无线电的另一个挑战是电池的寿命和耗电问题。在平昌2018年冬季奥运期间，三星相信已经展示了自己的5G平板电脑。虽然它运行良好，但是在移动世界大会围绕这个酷炫的应用却是一个惊人的警告：电池在30分钟后就没电了。

　　图6、智能手机需要支持的频段数越来越多

　　当被问到这个传闻时，Yole的Troadec说她认为“手机5G mmWave(毫米波)广播信号传输时有具有很高的能耗的问题。”她怀疑“大多数厂商的领导人都在广泛地关注这个领域。”但她补充说，她发现这些技术供应商可能会为5G新无线电(5G New Radio)应用中这个明显有问题的系统级功耗问题提出了一些补救措施。她说，没有人愿意在展会上进一步讨论这个问题，大家都在有意回避这个问题。

　　图7、28GHz 上行链路预算

　　5G mmWave(毫米波)的RF(射频)模块将给新兴5G市场带来的干扰并不局限于技术的变化。深受影响的是目前供应3G和4G射频组件和模块的供应链中的供应商们。

　　图8、28GHz 下行链路预算表

　　由于5G mmWave(毫米波)可能允许供应商使用CMOS或者SOI技术在SoC中设计射频前端模块，因此该领域将为面向目前在手机生态系统架构中的“先进CMOS设计和制造厂商”进军射频市场敞开大门。除了英特尔和高通之外，具有进军这一领域的候选人还包括三星，华为和联发科。

　　更多的频段，更多的射频(RF)前端(RFFE，RF front ends)

　　随着技术供应商与能够处理越来越多数量的频段的复杂RF前端(RFFE，RF front ends)模块搏斗，移动行业取得了长足的进步。根据Troadec的说法，随着蜂窝标准从3G发展到4G，RF前端必须应对的频段数量从4个增加到了30个。

　　图9、终端射频前端的设计越来越复杂

　　智能手机中支持的频段数量的增加只会增加射频前端的复杂性。

　　但随着5G技术和应用逐渐上线，事情将变得更加复杂。虽然理论上5G是一个单一的标准，但它有三个主要的要素：5G支持的物联网(IoT)应用，使用sub-6 GHz频段的5G以及使用mmWave(毫米波)的5G。在射频技术方面，Troadec观察到“这意味着将需要非常不相似的性能的技术一起汇集在一种设备中”。

　　图10、智能手机的发货量越来越大

　　这意味着5G将遵循“不同的实施阶段，不同的5G版本并行开发”。换句话说，不会有单一的，统一的5G 射频(RF)前端(RFFE，RF front ends)，而是“5G IoT，5G sub-6 GHz和5GmmWave(毫米波)将遵循他们自己的发展路径，并用它们各自的RF SiP开发创建并行的生态系统，“她说。

　　图11、射频前端产业链中的主要玩家

　　当被要求评估每种5G技术的不同射频(RF)前端(RFFE，RF front ends)的研究路径时，Troadec说她看到5G mmWave(毫米波)技术带来了最具颠覆性的创新。她预计5G mmWave(毫米波)需要重新更改设计和采用新材料。

　　好消息是，5G mmWave(毫米波)可以终结目前用于2G，3G和4G射频前端系统中的基于系统级封装(SiP，System-in-Package )技术的复杂的前端模块的实践。 “您可以根据先进的CMOS或SOI技术设计每个构建模块 - 包括功率放大器，低噪声放大器，滤波器，开关和无源器件，”Troadec解释说。这将为许多以前几乎没有无线电专业知识的数字芯片供应商提供开发SoC前端模块的机会。

　　图12、Beamforming在5G网络中有重要的应用

　　同时，对于在6 GHz以下频段中的5G技术，Troadec认为它将建立在渐进式创新之上。她解释说，在这个频段上预计目前的射频封装架构的修改只需在物料清单(BoM，bill of materials)中做出最少的更改即可。

　　由于5G 物联网(IoT)将使用低于1 GHz 频段的频率，因此Troadec认为在这个频段5G 射频(RF)前端(RFFE，RF front ends)的半导体封装所需的“很少或者几乎没有创新”。尽管如此，旨在解决由许多物联网(IoT)设备生成的数据的传输问题的5G 物联网(IoT)规范和协议尚未完成定义和标准化。

　　图13、不同口味的5G技术正在并行发展

　　今天的射频(RF)器件或者组件供应链中的名人堂

　　在深入研究5G中的详细的射频(RF)解决方案之前，让我们先仔细研究当前的RF组件和模块供应商。

　　通常，射频(RF)前端模块是由诸如RF开关，功率放大器(PA)/低噪声放大器(LNA)，RF滤波器和天线装置(调谐器和开关)之类的射频(RF)器件组件组成的。

　　图14、5G用户终端中电路的功能划分

　　射频(RF)前端模块拥挤的供应链中的主要厂商包括：索尼，Murata(2014年末收购Peregrin Semiconductor)，Skyworks，Qorvo，英飞凌，Broadcom(博通) / Avago，Cavendish Kinetics，TDK EPCOS，高通，海思等。

　　图15、一个智能手机的典型结构

　　每家公司都有自己的特殊射频(RF)部件，这些部件通常需要部署各种衬底和工艺技术。他们的工艺技术选择范围从RF-SOI和BiCMOS到批量CMOS，GaN和RF MEMS等。

　　图16、智能手机的Beamforming

　　由于不同类型RF组件采用了多种工艺技术，因此今天射频(RF)模块的集成路径选择是SiP形式，而不是SoC形式。

　　图17、5G网络中的Beamforming技术

　　今天，对于2G，3G，4G和5G 6 GHz以下频段(针对6 GHz以下的所有频段)的频段，“满足智能手机中的严格的无线电性能要求将只有SiP技术这一个方法，“Troadec证实。

　　图18、智能手机中的功能布局

　　目前没有任何单一的射频(RF)组件供应商拥有一切最好的技术。 Troadec解释说，在RF前端集成中，“每个构建模块都需要非常专用的技术：使用GaAs技术的最佳PA，使用SOI技术的最佳开关，使用SAW和BAW技术的最佳滤波器以及使用SiGe技术的最佳LNA等。”

　　当被问及是谁会为射频前端模块提供SiP技术时，Troadec表示：“Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks和TDK / Qualcomm是今天唯一能够提供SiP工艺技术的厂商。”

　　她解释说，每种产品都有自己的特性要求，例如高频模块，中频模块，低频模块和多样化接收模块要么采用PAMiD集成形式(高度集成的定制模块，性能驱动但带有强大功能因此仅限于苹果，三星，华为等玩家)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和中国手机玩家等二线智能手机制造商的青睐)。

　　图19、5G系统中涉及到的关键技术

　　“我们确实看到只有少数公司能够在这种高技术混合的环境中发挥作用，”她总结道。

　　几个GHz频段以内的5G：仍然采用的是SiP方法

　　随着蜂窝产业向5G方向发展，对于GHz级的5G的射频前端模块而言，同样的原则(即采用SiP集成方法)仍将继续存在。

　　图20、SiP技术在5G时代中可能的应用

　　但据Yole称，就SiP和封装内部的更多集成而言，将会有一些变化。 Troadec解释说，这些新措施包括基于SOI平台在同一芯片(die)上集成LNA和开关，以及更多用于滤波器的晶圆级封装以获得裸片尺寸收益(例如，今天只有Broadcom(博通)采用这种方法，而Qorvo正在开发这种方法)。此外，晶圆级方法将适用于封装功率放大器(今天仍然采用导线连接)以获得裸片(die)尺寸收益。

　　5G mmWave(毫米波)：从SiP到SoC

　　5G mmWave(毫米波)射频前端模块毫无疑问将会彻底改变最复杂的RF(射频)组件/模块供应链。通过使用不同的工艺技术制造了大量复杂的RF(射频)组件。相反，即将出现的是基于先进CMOS或者SOI技术实现的SoC中实现mmWave(毫米波)前端模块的可能性。

　　5G mmWave(毫米波)可以在SoC中设计RF(射频)模块的原因有很多。

　　首先，5G mmWave(毫米波)意味着移动到可用的超带宽频谱区域，Troadec解释说。 “因此，我们不需要很多离散的频段来发送信息。因此射频收发信机的架构可以简单得多。“

　　结果，这也降低了对滤波器技术的限制，她解释说。 “我们不需要在模块中进行高端滤波。”然而，她警告说，“我们需要在不同无线电技术(4G或者低于6 GHz 的5G以及5G 毫米波)之间切换的先进的开关技术(高隔离度，高线性) “。

　　她还指出，在4G中，“我们使用每频段20 MHz信号带宽的载波聚合(carrier aggregation)，并且使用了多个频段。因此，我们需要先进的高端滤波器技术(陡峭的抑制曲线)来区分每个频段中的每个信号。而今天只有BAW(FBAR)器件技术(MEMS技术)能够满足这种要求。“

　　另一个重要因素是5G mmWave(毫米波)将采用波束成形技术，允许它对波束进行成形，以同时向多个用户发送信息。 “这将降低功率放大器功率发射的限制和要求。这反过来又意味着CMOS技术可以发挥作用。“她补充说：”在mmWave(毫米波)频率下，电感变小;因此，将无源器件与CMOS / SOI技术集成在一起成为可能。“

　　然而，Troadec重申，对于5G mmWave(毫米波)射频模块来说，一个限制因素似乎是整个系统的功耗。 “为什么我们需要澄清这件事情?因为它对毫米波的可以用性的影响实在太大了;但到到目前为止，没有人愿意从技术上告诉我们为什么会这样，以及我们需要做什么”来解决这个问题。

　　新进入射频器件领域的玩家

　　一旦行业转向使用CMOS或者SOI技术来在SoC中设计5G mmWave(毫米波)射频前端模块，目前的射频前端器件领域将从看似舒适的RF前端模块供应商俱乐部(如Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks，以及TDK /高通)将会发生变化。

　　图21、5G生态系统中的主要玩家

　　Troadec指出，英特尔和高通已经进入调制解调器和手机收发信机业务。他们非常有希望掌握无线射频领域，以提供端到端的解决方案。这些公司的目标是“射频产业链从到A到Z的完整的内部设计”，她说。

　　假如Broadcom(博通)收购了Qualcomm(高通)公司...

　　在Broadcom(博通)和Qualcomm(高通)公司的各种产品和技术领域，手机市场是这两大巨头互补业务的市场。 Troadec观察到Broadcom(博通)在无线和Wi-Fi领域，而Qualcomm(高通)在应用处理器单元，调制解调器，收发信机，Wi-Fi / BT，再加上恩智浦(NXP)的NFC以及他们的微控制器(Microcontroller)方面具有很高的地位。

　　图22、高通推动5G射频供应链的整合变化

　　现在Qualcomm(高通)公司在5G mmWave(毫米波)领域获得了强大的技术牵引力，而Qualcomm(高通)则专注于低于6GHz的技术解决方案，Troadec表示，如果没有被美国总统阻止，Broadcom(博通)和Qualcomm(高通)的合并“将会产生非常高的垄断。”她怀疑，“这就是为什么我们看到英特尔(Intel)变得害怕，并试图进入这个收购讨论，甚至放话要收购Broadcom(博通)。”