RF產(chǎn)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

RF產(chǎn)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(chǎn)業(yè)中的公司名人堂

雖然移動(dòng)行業(yè)上個(gè)月已經(jīng)完成了在巴塞羅那舉行的年度移動(dòng)世界大會(huì)愛情般的狂歡活動(dòng)，但高科技供應(yīng)商，系統(tǒng)原始設(shè)備制造商和移動(dòng)運(yùn)營商所面臨著現(xiàn)在尚未真正解決5G發(fā)展障礙的問題。事實(shí)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(shù)問題是多方面的。其中，用于5G毫米波（通常預(yù)計(jì)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(yán)重影響尚未出現(xiàn)的5G mmWave（毫米波）手機(jī)的性能。

圖3、5G生態(tài)系統(tǒng)

從移動(dòng)世界大會(huì)回來后，市場研究公司（YoleDéveloppement）的射頻（RF）電子業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人Claire Troadec告訴我們：“盡管許多公司如高通，英特爾，聯(lián)發(fā)科和三星都在使用手機(jī)原型作為5G mmWave（毫米波）的演示平臺(tái)，但我們不相信目前手機(jī)將成為5G mmWave（毫米波）的首選應(yīng)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(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的選擇，以便消費(fèi)者可以下載或者傳輸大規(guī)模流式寬帶應(yīng)用”。

圖4、高通的5G 毫米波原型樣機(jī)

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(shè)計(jì)一款始終工作而不會(huì)丟失信號的5G手機(jī)并不是一件容易的事。消費(fèi)者可能會(huì)被迫停留在某頁字面上或者某幅圖片上，系統(tǒng)轉(zhuǎn)而需要尋找其它頻段的信號。

圖5、5G在韓國冬奧會(huì)中得到應(yīng)用

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

圖6、智能手機(jī)需要支持的頻段數(shù)越來越多

當(dāng)被問到這個(gè)傳聞時(shí)，Yole的Troadec說她認(rèn)為“手機(jī)5G mmWave（毫米波）廣播信號傳輸時(shí)有具有很高的能耗的問題?！彼龖岩伞按蠖鄶?shù)廠商的領(lǐng)導(dǎo)人都在廣泛地關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。”但她補(bǔ)充說，她發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)供應(yīng)商可能會(huì)為5G新無線電（5G New Radio）應(yīng)用中這個(gè)明顯有問題的系統(tǒng)級功耗問題提出了一些補(bǔ)救措施。她說，沒有人愿意在展會(huì)上進(jìn)一步討論這個(gè)問題，大家都在有意回避這個(gè)問題。

圖7、28GHz 上行鏈路預(yù)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(shù)的變化。深受影響的是目前供應(yīng)3G和4G射頻組件和模塊的供應(yīng)鏈中的供應(yīng)商們。

圖8、28GHz 下行鏈路預(yù)算表

由于5G mmWave（毫米波）可能允許供應(yīng)商使用CMOS或者SOI技術(shù)在SoC中設(shè)計(jì)射頻前端模塊，因此該領(lǐng)域?qū)槊嫦蚰壳霸谑謾C(jī)生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)中的“先進(jìn)CMOS設(shè)計(jì)和制造廠商”進(jìn)軍射頻市場敞開大門。除了英特爾和高通之外，具有進(jìn)軍這一領(lǐng)域的候選人還包括三星，華為和聯(lián)發(fā)科。

更多的頻段，更多的射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）

隨著技術(shù)供應(yīng)商與能夠處理越來越多數(shù)量的頻段的復(fù)雜RF前端（RFFE，RF front ends）模塊搏斗，移動(dòng)行業(yè)取得了長足的進(jìn)步。根據(jù)Troadec的說法，隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)從3G發(fā)展到4G，RF前端必須應(yīng)對的頻段數(shù)量從4個(gè)增加到了30個(gè)。

圖9、終端射頻前端的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜

智能手機(jī)中支持的頻段數(shù)量的增加只會(huì)增加射頻前端的復(fù)雜性。

但隨著5G技術(shù)和應(yīng)用逐漸上線，事情將變得更加復(fù)雜。雖然理論上5G是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)，但它有三個(gè)主要的要素：5G支持的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)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(shù)方面，Troadec觀察到“這意味著將需要非常不相似的性能的技術(shù)一起匯集在一種設(shè)備中”。

圖10、智能手機(jī)的發(fā)貨量越來越大

這意味著5G將遵循“不同的實(shí)施階段，不同的5G版本并行開發(fā)”。換句話說，不會(huì)有單一的，統(tǒng)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(tǒng)，“她說。

圖11、射頻前端產(chǎn)業(yè)鏈中的主要玩家

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

好消息是，5G mmWave（毫米波）可以終結(jié)目前用于2G，3G和4G射頻前端系統(tǒng)中的基于系統(tǒng)級封裝（SiP，System-in-Package ）技術(shù)的復(fù)雜的前端模塊的實(shí)踐。 “您可以根據(jù)先進(jìn)的CMOS或SOI技術(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)構(gòu)建模塊 - 包括功率放大器，低噪聲放大器，濾波器，開關(guān)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(shù)字芯片供應(yīng)商提供開發(fā)SoC前端模塊的機(jī)會(huì)。

圖12、Beamforming在5G網(wǎng)絡(luò)中有重要的應(yīng)用

同時(shí)，對于在6 GHz以下頻段中的5G技術(shù)，Troadec認(rèn)為它將建立在漸進(jìn)式創(chuàng)新之上。她解釋說，在這個(gè)頻段上預(yù)計(jì)目前的射頻封裝架構(gòu)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(lián)網(wǎng)（IoT）將使用低于1 GHz 頻段的頻率，因此Troadec認(rèn)為在這個(gè)頻段5G 射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）的半導(dǎo)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(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備生成的數(shù)據(jù)的傳輸問題的5G 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）規(guī)范和協(xié)議尚未完成定義和標(biāo)準(zhǔn)化。

圖13、不同口味的5G技術(shù)正在并行發(fā)展

今天的射頻（RF）器件或者組件供應(yīng)鏈中的名人堂

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

通常，射頻（RF）前端模塊是由諸如RF開關(guān)，功率放大器（PA）/低噪聲放大器（LNA），RF濾波器和天線裝置（調(diào)諧器和開關(guān)）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(yīng)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(gè)智能手機(jī)的典型結(jié)構(gòu)

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(shù)。他們的工藝技術(shù)選擇范圍從RF-SOI和BiCMOS到批量CMOS，GaN和RF MEMS等。

圖16、智能手機(jī)的Beamforming

由于不同類型RF組件采用了多種工藝技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)中的Beamforming技術(shù)

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(jī)中的嚴(yán)格的無線電性能要求將只有SiP技術(shù)這一個(gè)方法，“Troadec證實(shí)。

圖18、智能手機(jī)中的功能布局

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

當(dāng)被問及是誰會(huì)為射頻前端模塊提供SiP技術(shù)時(shí)，Troadec表示：“Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks和TDK / Qualcomm是今天唯一能夠提供SiP工藝技術(shù)的廠商?！?/p>

她解釋說，每種產(chǎn)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(qū)動(dòng)但帶有強(qiáng)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(jī)玩家等二線智能手機(jī)制造商的青睞）。

圖19、5G系統(tǒng)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

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

幾個(gè)GHz頻段以內(nèi)的5G：仍然采用的是SiP方法

隨著蜂窩產(chǎn)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(shù)在5G時(shí)代中可能的應(yīng)用

但據(jù)Yole稱，就SiP和封裝內(nèi)部的更多集成而言，將會(huì)有一些變化。 Troadec解釋說，這些新措施包括基于SOI平臺(tái)在同一芯片（die）上集成LNA和開關(guān)，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(dǎo)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(huì)徹底改變最復(fù)雜的RF（射頻）組件/模塊供應(yīng)鏈。通過使用不同的工藝技術(shù)制造了大量復(fù)雜的RF（射頻）組件。相反，即將出現(xiàn)的是基于先進(jìn)CMOS或者SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的SoC中實(shí)現(xiàn)mmWave（毫米波）前端模塊的可能性。

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

首先，5G mmWave（毫米波）意味著移動(dòng)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(jī)的架構(gòu)可以簡單得多?！?/p>

結(jié)果，這也降低了對濾波器技術(shù)的限制，她解釋說。 “我們不需要在模塊中進(jìn)行高端濾波。”然而，她警告說，“我們需要在不同無線電技術(shù)（4G或者低于6 GHz 的5G以及5G 毫米波）之間切換的先進(jìn)的開關(guān)技術(shù)（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(gè)頻段。因此，我們需要先進(jìn)的高端濾波器技術(shù)（陡峭的抑制曲線）來區(qū)分每個(gè)頻段中的每個(gè)信號。而今天只有BAW（FBAR）器件技術(shù)（MEMS技術(shù)）能夠滿足這種要求?！?/p>

另一個(gè)重要因素是5G mmWave（毫米波）將采用波束成形技術(shù)，允許它對波束進(jìn)行成形，以同時(shí)向多個(gè)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(shù)可以發(fā)揮作用?！八a(bǔ)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(shù)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(gè)限制因素似乎是整個(gè)系統(tǒng)的功耗。 “為什么我們需要澄清這件事情？因?yàn)樗鼘撩撞ǖ目梢杂眯缘挠绊憣?shí)在太大了；但到到目前為止，沒有人愿意從技術(shù)上告訴我們?yōu)槭裁磿?huì)這樣，以及我們需要做什么”來解決這個(gè)問題。

新進(jìn)入射頻器件領(lǐng)域的玩家

一旦行業(yè)轉(zhuǎn)向使用CMOS或者SOI技術(shù)來在SoC中設(shè)計(jì)5G mmWave（毫米波）射頻前端模塊，目前的射頻前端器件領(lǐng)域?qū)目此剖孢m的RF前端模塊供應(yīng)商俱樂部（如Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks，以及TDK /高通）將會(huì)發(fā)生變化。

圖21、5G生態(tài)系統(tǒng)中的主要玩家

Troadec指出，英特爾和高通已經(jīng)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器和手機(jī)收發(fā)信機(jī)業(yè)務(wù)。他們非常有希望掌握無線射頻領(lǐng)域，以提供端到端的解決方案。這些公司的目標(biāo)是“射頻產(chǎn)業(yè)鏈從到A到Z的完整的內(nèi)部設(shè)計(jì)”，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(chǎn)品和技術(shù)領(lǐng)域，手機(jī)市場是這兩大巨頭互補(bǔ)業(yè)務(wù)的市場。 Troadec觀察到Broadcom（博通）在無線和Wi-Fi領(lǐng)域，而Qualcomm（高通）在應(yīng)用處理器單元，調(diào)制解調(diào)器，收發(fā)信機(jī)，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(dòng)5G射頻供應(yīng)鏈的整合變化

現(xiàn)在Qualcomm（高通）公司在5G mmWave（毫米波）領(lǐng)域獲得了強(qiáng)大的技術(shù)牽引力，而Qualcomm（高通）則專注于低于6GHz的技術(shù)解決方案，Troadec表示，如果沒有被美國總統(tǒng)阻止，Broadcom（博通）和Qualcomm（高通）的合并“將會(huì)產(chǎn)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(jìn)入這個(gè)收購討論，甚至放話要收購Broadcom（博通）。”