從4G到5G，射頻前端的升級 - 從4G到5G，高端智能手機射頻前端如何進化？

盡管RFFE的復(fù)雜程度顯著增加，然而設(shè)備PCB上留給此功能區(qū)的空間一直以來卻逐漸減少。在過去的幾年里，高端智能手機已經(jīng)從僅支持有限的射頻頻段轉(zhuǎn)為單一SKU型號就支持高達34個頻段的智能手機，比如OnePlus 5。為了盡可能在有限的空間容納擴展的頻段，RFFE越來越模塊化，比之前集成了更多的PA、濾波器、雙工器、開關(guān)和LNA部件。PCB上元器件密度越來越高，元器件間的干擾逐漸成為一個不可忽視的問題，如何對每個射頻元器件實施充分有效的隔離挑戰(zhàn)進一步加劇。

雖然上文提及RFFE元器件已高度集成，但越來越多的頻段支持和更快移動寬帶速率所需要的復(fù)雜性導(dǎo)致使用更多的元器件，提升了RFFE部分的成本，證明了RFFE部分的價值所在。

類似4x4多輸入多輸出（MIMO）天線結(jié)構(gòu)和載波聚合的技術(shù)用來實現(xiàn)Cat16 LTE性能的大幅提升，但與此同時也增加了成本。載波聚合是將多個區(qū)塊（分量載波） 組合以獲得更高的帶寬和吞吐量。Cat16 LTE最多聚合4個分量載波 （4x CA） ，總帶寬80MHz， 下載速率可達1Gbps。Cat16 LTE 之前的版本只有3個分量載波，總帶寬60MHz。4x4MIMO帶來帶寬提升和更高的下行速率，與此同時也增加了本已復(fù)雜的RFFE復(fù)雜程度，其中最大的影響之一是對接收鏈路RF元器件，特別是與其他元器件 （如LNA） 一起集成在模組里的濾波和切換開關(guān)部分。

不止 Cat 16 LTE： 邊框更窄，屏幕更大，更好的電池續(xù)航

為了在成熟的市場中獲得競爭優(yōu)勢，OEM廠商面臨著來自產(chǎn)品差異化方面越來越大的壓力。在過去幾年中，類似調(diào)制解調(diào)器輔助天線匹配調(diào)諧解決方案僅體現(xiàn)于高端智能手機設(shè)計領(lǐng)域，目前已在各大OEM廠商設(shè)計中司空見慣。天線匹配調(diào)諧已成為RF前端的重要零部件之一，減少因環(huán)境和設(shè)計因素造成的干擾和智能手機RF信號的衰減并提升功率效率。如果沒有天線匹配調(diào)諧技術(shù)，僅簡單握住智能手機的動作就能惡化射頻信號的質(zhì)量， 智能手機廠商就得更注重選擇不會顯著影響RF信號質(zhì)量的設(shè)計。類似Galaxy S8 的智能手機無 （窄） 邊框設(shè)計需要將天線放置在屏幕下方， 這將對射頻信號造成干擾，將天線置于富有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境。

IHS Markit對Galaxy S8+的拆解分析發(fā)現(xiàn)該手機同時使用了來自高通QAT3550和QAT3514的阻抗/孔徑天線調(diào)諧技術(shù)， 以充分提高置于屏幕下方的天線性能。通過部署類似調(diào)制解調(diào)器智能天線調(diào)諧技術(shù)，OEM廠商可以減小天線尺寸，提高整體電源效率和信號穩(wěn)定性。

電源效率是智能手機設(shè)計師自產(chǎn)品誕生以來一直關(guān)注的問題，除了屏幕，RF前端是電池電量消耗最大部分之一。實現(xiàn)盡可能高效的功率放大器逐漸變得越來越重要并產(chǎn)生了廣泛的技術(shù)應(yīng)用如封包跟蹤。封包跟蹤芯片動態(tài)調(diào)整功放芯片的功率以達到最大的功放效率。高通和Qorvo等公司在其前端套片中提供封包跟蹤檢測芯片，其他公司如三星也引進了此技術(shù)。

在過去，對于ET的限制是它只能在20MHz的帶寬上工作，但是在最新的一代產(chǎn)品QET4100上，高通已經(jīng)能夠支持高達40MHz的帶寬，這對于在上行線路中有2xCA的手機來說至關(guān)重要。通過將上行線路的帶寬增加一倍，用戶可以上傳自己的視頻，比如360度虛擬現(xiàn)實視頻，在高需求的場館如體育館中，速度更快。隨著用戶生成的內(nèi)容變得越來越普遍，上行載波聚合將帶來更好的用戶體驗。

平均功率跟蹤是另一種用于提高PA效率的技術(shù)，但其在許多已有/新增LTE頻段所在的較高頻率下通常效率較低，在過去5年里，LTE已從多數(shù)設(shè)備運行的1.9GHz或更低的頻段轉(zhuǎn)移到基本上所有高端智能手機都支持的2.1GHz或更高的頻段，這對擁有較高頻段的移動網(wǎng)絡(luò)運營商是個利好，例如Sprint在美國有160MHz的2.5GHz（頻段41）頻譜。然而更高的頻率通常無法傳播較遠且不易穿透建筑物，這就是為什么高性能用戶設(shè)備（HPUE）正在被部署的原因。HPUE設(shè)備能夠在更高的功率水平上傳輸，從而增加設(shè)備的可用范圍，這種情況下，封包跟蹤技術(shù)變得至關(guān)重要。

實現(xiàn)4G到5G的升級

沒有射頻前端中幾項技術(shù)的進步，就沒有移動手機上的4G+和5G新無線電（NR）技術(shù)的發(fā)展。載波聚合的發(fā)展，包括支持5xCA的Cat 18 LTE，使全球的運營商更容易利用授權(quán)和無授權(quán)的頻譜，利用許可的輔助接入（LAA）和LTE與無線網(wǎng)絡(luò)之間的天線共享。此外，下行線路的256 QAM和上行線路的64 QAM等更先進的調(diào)制，使得移動設(shè)備能夠更有效地與網(wǎng)絡(luò)交互。

4G+的頻率范圍將擴展至600MHz的低頻段和 3.5 GHz的高頻段。一些組件供應(yīng)商已經(jīng)能夠通過硬件支持這些新頻段，然后通過未來的軟件更新作為支持。一般來說，4G+將對射頻前端的接收端構(gòu)成更大的挑戰(zhàn)，因為下游的數(shù)據(jù)傳輸速率超過1Gbps，不過，在更寬的頻率范圍內(nèi)的額外頻段也需要來自傳輸端的組件支持，例如功率放大器。

IHS Markit預(yù)計，到2019年底，5G設(shè)備將投入商用，而支持5G技術(shù)的舉措將進一步給RFFE帶來壓力。組件供應(yīng)商將不得不增加對新制式的支持，以及從400MHz到6GHz的更廣泛的頻帶（與移動寬帶有關(guān)），以及一套額外的編碼。如其他核心智能手機ICs如基帶一樣，RFFE需要提供向后兼容，以支持4G/3G/2G的操作模式。如果沒有真正的系統(tǒng)級別的專業(yè)知識，當(dāng)前和即將推出的RFFE將使組件供應(yīng)商更難以阻止RFFE成為設(shè)備移動寬帶性能的瓶頸。供應(yīng)商必須提供完整的組件組合，從而為OEM廠商提供不同程度的性能和靈活性，是以滿足終端用戶的需求。