5G商用的集結(jié)號已經(jīng)吹響，射頻終端還有很多挑戰(zhàn)

2019年的MWC上，各大手機廠商紛紛展示了自己的5G手機。雖然這些手機離我們的生活尚遠，但是5G商用的集結(jié)號已經(jīng)吹響了。

根據(jù)3GPP的官宣，首批5G網(wǎng)絡(luò)部署所使用的R15 NR NSA與R15 NR SA規(guī)范已經(jīng)成熟，可為全球早期的5G部署計劃提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。手機廠商們紛紛厲兵秣馬，開啟5G終端的研發(fā)。這其中，5G射頻前端要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)，引發(fā)了整個行業(yè)的關(guān)注。

5G帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)

3GPP組織劃分了兩個5G頻率范圍，頻率范圍1 (FR1)涵蓋6GHz以下的頻率，包括3GHz以上的新頻段(如n77、n78和n79)，以及重新分配的LTE頻段(如n41)。頻率范圍2 (FR2)目前包括24 GHz和39 GHz之間的mmWave頻段(n257、n258和 n260)。

作為一個重大的技術(shù)進步，5G標準給RF前端帶來了一系列的挑戰(zhàn)：

l 前所未有的帶寬，F(xiàn)R1的載波帶寬高達100MHz，F(xiàn)R2的載波帶寬高達400 MHz。

l 基站需要大規(guī)模MIMO和波束控制，以提供數(shù)千兆的數(shù)據(jù)速率。

l 海量帶寬和新波形將產(chǎn)生非常高的峰值功率比，并需要高線性度。

這些反映在5G手機中，就是單部手機的射頻半導體用量達到25美金，相比4G手機近乎翻倍增長。其中，濾波器從40個增加至70個，頻帶從15個增加至30個，接收機發(fā)射機濾波器從30個增加至75個，射頻開關(guān)從10個增加至30個，載波聚合從5個增加至200個。

據(jù)介紹，5G 規(guī)范規(guī)定手機必須支持1GHz以上頻段的四個下行鏈路路徑，以實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。這需要4根天線和4個獨立的RF通道。對于許多手機而言，這種改變意味著大幅增加RF內(nèi)容、信號路由復雜性和天線帶寬。

除此之外，其他組件也在不斷擴張地盤，搶占RF前端的空間。Qorvo公司手機事業(yè)部高級銷售經(jīng)理趙玉龍就告訴集微網(wǎng)記者，隨著智能手機對照相性能的要求越來越高，攝像頭模組會擠占越來越多的PCB空間，這就要求RF前端集成度更高，體積更小。而這種趨勢在今年發(fā)布的旗艦手機上尤為明顯。

Qorvo公司手機事業(yè)部高級銷售經(jīng)理趙玉龍

因此，在分配給RF前端的擁擠空間內(nèi)擠入更多內(nèi)容將極具挑戰(zhàn)性，并且需要高度集成的解決方案來盡可能縮減解決方案尺寸并提高性能。

濾波器的發(fā)展空間

射頻前端模塊中，濾波器起著至關(guān)重要的作用，它可以將帶外干擾和噪聲濾除以滿足射頻系統(tǒng)和通訊協(xié)議對于信噪比的需求。

在5G時代，單個設(shè)備中的濾波器數(shù)量會大幅增加。同時，引入MIMO、載波聚合等技術(shù)，對濾波器性能的要求不斷提高。解決之道就是將濾波器與PA、開關(guān)等射頻器件進行整合，向模塊化、集成化和整體射頻解決方案的方向發(fā)展。

射頻濾波器最主要的指標包括品質(zhì)因數(shù)Q和插入損耗。Q越大，則濾波器可以實現(xiàn)更好的帶外抑制，也就是說可以實現(xiàn)較好的選擇性;插入損耗則是指通帶信號被濾波器的衰減，即信號功率損耗。SAW/BAW濾波器憑借優(yōu)良頻帶選擇性、高Q值、低插入損耗等特性成為射頻濾波器的主流技術(shù)。

SAW濾波器一般只適用于1.5GHz以下的應(yīng)用，另外它也易受溫度變化的影響。高于1.5GHz時，BAW濾波器更具有性能優(yōu)勢。同時，BAW濾波器的尺寸還隨頻率升高而縮小，這使它非常適合要求非?？量痰母哳l應(yīng)用。此外，即便在高寬帶設(shè)計中，BAW對溫度變化也不那么敏感，具有功率容量大、極低的損耗和帶外衰減大(steep filter skirts)等優(yōu)點?！岸?，5G手機中使用的天線復用器，每一個通道會對應(yīng)一個BAW。” 趙玉龍表示。

Qorvo目前擁有完整的SAW/BAW濾波器組合。未來BAW的發(fā)展形勢會很好，但是SAW也會有自己的用武之地。最終選擇，就要看客戶的需求了。

不只是RF前端，天線的空間也將變得非常珍貴。為了支持MIMO、范圍更廣泛的頻段和要求，5G智能手機的天線會從4個增加到8個，或者更多個。與此同時，隨著手機行業(yè)轉(zhuǎn)而采用全屏智能手機設(shè)計，放置手機天線的邊框區(qū)域會縮小，因此天線可用的空間實際上也會縮小。需要在更小的空間內(nèi)安裝更多的天線就意味著天線的尺寸必須縮小，因此天線的效率會降低。

手機廠商會采用兩種方式來解決天線問題。辦法一：使用天線調(diào)諧，可以將每根天線都調(diào)諧到工作頻段，使它更加高效。對于5G手機，鑒于其天線數(shù)量有限，且必須支持更廣的頻率范圍，因此必須使用天線調(diào)諧來維持性能。辦法二：天線復用器(antennaplex)。天線復用器利用單個模塊覆蓋多個頻率，使得多條RF通道可以同時連接至天線，同時防止通道之間的干擾。天線復用器目前被有些 LTE 手機用于路由CA信號，但它將會成為5G手機不可缺少的組件，用于支持 15 版和之后版本的規(guī)范所定義的海量雙連接CA選項。

5G手機可能使用多天線的天線調(diào)諧解決方案，包括兩種方法：孔徑調(diào)諧(Aperture tuning)對于優(yōu)化多頻段天線效率以及補償環(huán)境影響尤為重要;阻抗調(diào)諧(Impedance tuning)通過降低由于阻抗不匹配而從天線反射的功率來增加總輻射功率。作為移動天線調(diào)諧解決方案的行業(yè)領(lǐng)導者，Qorvo擁有多種基于低損耗開關(guān)的孔徑和阻抗調(diào)諧產(chǎn)品，可提供優(yōu)異的導通電阻和關(guān)斷電容性能。

除去濾波器和天線調(diào)諧器，在PA方面，Qorvo也擁有包括CMOS、SOI、砷化鎵和氮化鎵在內(nèi)的全面產(chǎn)品線。基于這些產(chǎn)品，Qorvo能夠為客戶提供滿足不同場景需求的產(chǎn)品。

產(chǎn)品的比拼只是一個方面，基于從2G時代開始的經(jīng)驗積累，Qorvo在對系統(tǒng)方面的理解力也是其他很多廠商所不具備的。趙玉龍就表示：“Qorvo已經(jīng)做好了準備，將與手機廠商一起，用豐富的經(jīng)驗和技術(shù)儲備幫助他們把5G終端快速推向市場?！?/p>