5G即將爆發(fā) 智能手機射頻器件發(fā)展趨勢預測

隨著5G空口、SA、NSA等標準紛紛確定以及中國三大運營商頻譜確定，5G時代已經(jīng)正式開啟，2019年我們將迎來5G手機大爆發(fā)，目前，華為、小米、OPPO、VIVO、一加等都聲稱將在2019年上半年推出5G手機，由于5G新增了頻段（n412.6GHz，n773.5GHz和n794.8GHz），因此5G手機的射頻前端將有新的變化，同時考慮到5G手機將繼續(xù)兼容4G、3G 、2G標準，因此5G手機射頻前端將異常復雜。

圖一 手機射頻前端構(gòu)成框圖

一般而言射頻前端（RFFE）由功率放大器（PA：Power Amplifier），天線開關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等器件組成，它是智能手機的射頻收發(fā)器和天線之間的功能區(qū)域，射頻器件設(shè)計難度大，材料要求特殊，也是本土IC需要攻破的難點之一，有專家特別指出射頻在5G手機的設(shè)計中尤為關(guān)鍵，4G手機最大的制造成本在屏幕與處理器，但5G手機最大的成本或許會轉(zhuǎn)向整套的射頻方案其幾個甚至超過了手機處理器平臺！市場調(diào)查機構(gòu)Navian預測，2020年僅移動終端中射頻前端芯片的市場規(guī)模將達到212億美元，年復合增長率達15.4%！

5G時代，手機射頻器件將會有哪些新的發(fā)展趨勢，近日電子創(chuàng)新網(wǎng)等專訪了Qorvo亞太區(qū)移動事業(yè)部市場戰(zhàn)略高級經(jīng)理陶鎮(zhèn)，他分享了有關(guān)5G手機射頻前端未來發(fā)展的洞見。

圖二 陶鎮(zhèn)與媒體交流

5G 手機射頻前端發(fā)展趨勢

總體而言，5G時代，射頻數(shù)量將大幅度增加，因此5G手機成本會進一步提升，

Qorvo公司高管曾指出，5G將給天線數(shù)量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以5G手機為例，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！

這是因為4G時代，智能手機采取的1發(fā)射2接收架構(gòu)

圖3 4G手機射頻前端框圖

而到了5G時代，獨立組網(wǎng)的手機將采用2發(fā)射4接收的架構(gòu)

圖四 5G手機產(chǎn)品建議

圖五 最新5G手機射頻前端框圖

陶鎮(zhèn)表示僅此架構(gòu)的改變就要多預計將新增4個收發(fā)模組，合計增加4到6顆，12到18顆濾波器，40到60顆電容。此外，“根據(jù)目前工信部給運營商劃分的頻譜來看，5G時代增加了n41 2.6GHz，n773.5GHz和n794.8GHz三個頻段，所以需要增加三個射頻前端模組，有人說中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz段 160MHz 5G頻段中的2.6GHz頻段是技術(shù)不成熟頻段，其實這是因為3.5GHz是全球核心頻段，所以成熟度高，但其實中移動在LTE B41已經(jīng)把產(chǎn)業(yè)界培育的很成熟了，大部分稍微升級下即可支持n41，我們Qorvo有支持n41的 射頻前端，支持n41目前已經(jīng)不落后于3.5GHz了，實際上，在去年11月初溫哥華GTI研討會上，我們第一次展示了基于2.5Ghz頻譜的5G的射頻模塊QM 75041?！?/p>

圖六Qorvo n41射頻前端模塊

據(jù)悉，Qorvo展示的針對n41頻段的射頻前端模塊集成了功率放大器、濾波器、開關(guān)、耦合器等。

此外，陶鎮(zhèn)表示5G時代還需要額外的天線調(diào)節(jié)器來做天線隔離，這主要是因為頻譜的翻倍，驅(qū)使你去使用更多的天線來做覆蓋而引起的。這樣的需求，也推動了天線陣列的應用、MIMO的誕生，給射頻前端提出新的需求。MIMO技術(shù)的應用普及為天線帶來巨大增量市場。預計到2020年，MIMO 64x8 將成為標準配置，即基站端采用64根天線，手機采用8根天線。

圖七 5G手機天線設(shè)計

“到了5G時代，基站和手機都必須引入天線陣列，基站可以做到64×64，但手機受限于尺寸限制，只能做到4×4或者2×4，這就帶來了相關(guān)射頻的需求”，陶鎮(zhèn)說?！皝淼組IMO方面，這個在4G時代就存在的技術(shù)到了5G則迎來了更剛性的需求。新的通信標準要求下行有4×4，上行也要翻倍，這也帶來了射頻器件的增加。”

圖八 Qorvo n79射頻前端模塊

針對射頻前端集成化趨勢，陶鎮(zhèn)表示幾家領(lǐng)先手機廠商都采取的是射頻高度集成的模式，但集成不是所有的都集成，針對覆蓋低頻的模塊集成的是1到2個功放、濾波器或者雙工器，針對中高頻（1.7Hz到2.5GHz）或者高頻模塊，則集成了三個以上PA和幾十個濾波器。

“對于中高頻射頻前端，需要集成BAW濾波器才能達到更好的性能。所以并不是所有廠商都可以做中高頻的集成，因為受濾波器限制，另外是可生產(chǎn)能力的限制，因為中高端模塊涉及到二三十顆功放、濾波器、開關(guān)等IC的晶圓，品質(zhì)控制要求很高，不過模塊化一定是未來旗艦機的方向?！彼a充說，“Qorvo是一家產(chǎn)品很全的公司，功放、開關(guān)、濾波器等都做，像BAW、SAW，SOI、射頻開關(guān)都有，做模塊反而是Qorvo的優(yōu)勢。因為并不是所有的競爭對手都同時有上述器件研發(fā)能力和整合能力。”

他以n41為例指出Qorvo有n41的全頻段濾波器，全頻段PA，因此很容易實現(xiàn)集成方案。

5G手機PA趨勢

功率放大器（PA）是一部手機最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質(zhì)量，甚至待機時間，是整個射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5-7顆，預測5G手機內(nèi)的PA芯片將達到16顆之多。

陶鎮(zhèn)表示就工藝材料來說，目前砷化鎵PA依然是主流，國內(nèi)幾家做PA的廠家也主要采用的是砷化鎵工藝，雖然CMOS PA越來越成熟并有集成的優(yōu)勢但是因為參數(shù)性能的影響，它只適用于低端市場。

“其實Qorvo同時有CMOS工藝和砷化鎵工藝，我們會區(qū)分產(chǎn)品線，有些產(chǎn)品CMOS工藝足夠滿足，就用CMOS工藝做了，我們大部分產(chǎn)品都是CMOS工藝去做的，一般CMOS工藝更多做2G，3G，針對4G 5G還有SOI工藝可以選擇，然后是砷化鎵，相對也少，都是做傳統(tǒng)2G的這一塊，2G的這塊起，所以從4G的角度，不是未來的5G砷化鎵。另外，砷化鎵PA的TRP 值要優(yōu)于CMOS工藝的，TRP全稱Total Radiated Power是手機的總輻射功率。”他補充說。

在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標上均要強于砷化鎵，5G直能手機會采用氮化鎵PA嗎？

對此，陶鎮(zhèn)表示氮化鎵有不同使用方式，Qorvo有氮化鎵產(chǎn)品，目前已經(jīng)在基礎(chǔ)設(shè)施類產(chǎn)品中大量使用，未來5G基站中也會大量使用氮化鎵產(chǎn)品，但目前氮化鎵產(chǎn)品沒后在手機中使用，“近期，兩三年之內(nèi)氮化鎵不會用在手機，主要原因一是氮化鎵產(chǎn)品成本比較高；二是氮化鎵需要較高電壓，基站都需要12V電壓，手機最多到5V，所有氮化鎵驅(qū)動是個問題，如果電壓降低了，性能就弱化了，氮化鎵需要在高電壓下其優(yōu)異性能才能表現(xiàn)出來，看以后6G、7G是否有可能用到吧。”他補充道?！安贿^氮化鎵在基站端會有很多應用?！?/p>

他表示5G時代，PA會引入更多的技術(shù)（如包絡(luò)跟蹤）來滿足5G功率需求，包絡(luò)跟蹤能夠通過不斷調(diào)整PA 電源電壓以跟蹤RF 包絡(luò)的方式來優(yōu)化效率。但包絡(luò)跟蹤器預計在5G 部署期間只支持最多60 MHz 帶寬，而新的5G 頻段（如n77 和n79）則需要支持高達100 MHz 帶寬的單載波傳輸。為此，PA 將需要在平均功率跟蹤(APT) 固定電壓模式下運行，以實現(xiàn)寬帶5G 傳輸，同時會降低效率。

5G手機濾波器發(fā)展趨勢

目前，SAW、BAW濾波器是手機應用的主流濾波器，但5G新增頻段對濾波器提出了新的需求，有望拉動BAW（體聲波）濾波器的快速增長，這是因為SAW（聲表面濾波器）適合的是400 MHz 至 2.7 GHz 頻率范圍射頻濾波，而BAW（體聲波濾波器）適合2GHz以上射頻濾波。

圖九 SAMBAW濾波器工藝有差異

陶鎮(zhèn)表示通俗地理解SAW是一個是平面?zhèn)鬟f能量的濾波器，而BAW是一個垂直傳遞能量的濾波器，這兩個濾波器都是基于聲學工藝的濾波器，另外還有一種濾波器是陶瓷濾波器，它是基于電傳輸?shù)臑V波器，工作方式完全不同。聲學濾波器的優(yōu)勢是尺寸可以做到很小，因此廣泛用在手機內(nèi)，而陶瓷濾波器尺寸不能很小。

圖十 SAW濾波器（上）和BAW濾波器（下）的結(jié)構(gòu)

陶鎮(zhèn)表示5G時代引入了新的頻譜3.5G和4.8GHz，BAW在這個頻率段有優(yōu)勢，所以BAW濾波器會有大的增長，但是SAW和BAW都不能支持高帶寬（例如600MHZ），不能支持全頻段，Qorvo在不斷改進工藝，希望未來在5G這兩個頻段，聲學濾波器可以支持。

與 SAW 相比，BAW性能更好，但BAW所需的制造工藝步驟是 SAW 的10倍因此成本也更高，但是當頻段越來越多，甚至開始使用載波聚合的時候，就必須得用BAW技術(shù)才能解決頻段間的相互干擾問題。

據(jù)他介紹Qorvo作為全球領(lǐng)先的射頻方案提供商，擁有廣泛的 RF 濾波器產(chǎn)品組合，包括雙工器、同向雙工器、三工器、四工器和分立式 RF 濾波器，可以覆蓋 400 MHz 至 2.7 GHz 的頻率范圍，包括蜂窩式 (2G/3G/4G/LTE)、GPS 和工業(yè)、科學及醫(yī)學 (ISM) 頻段，在大小、性能、成本和上市時間方面均處于市場領(lǐng)先水平。

圖十一Qorvo的5個BAW濾波器演示

陶鎮(zhèn)表示作為全球領(lǐng)先射頻企業(yè)，Qorvo致力于解決復雜的射頻前端問題，如開發(fā)天線合路器把不同制式、不同頻段合成到一根天線上以減少天線的數(shù)量，同時不斷地做進一步集成以減少器件的數(shù)量?！霸谡{(diào)諧器及開關(guān)方面，5G時代MEMS 開關(guān)應用會更多，因為未來5G的第三個場景——高可靠性零時延場景需要極快的開關(guān)切換速度。除此以外，系統(tǒng)架構(gòu)方面還需要更多的天線分工器以及天線調(diào)諧功能。我們會跟運營商商密切溝通，解決5G時代射頻需求。”他指出。