5G即將爆發(fā) 智能手機(jī)射頻器件發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

隨著5G空口、SA、NSA等標(biāo)準(zhǔn)紛紛確定以及中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商頻譜確定，5G時(shí)代已經(jīng)正式開啟，2019年我們將迎來(lái)5G手機(jī)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(jī)，由于5G新增了頻段（n412.6GHz，n773.5GHz和n794.8GHz），因此5G手機(jī)的射頻前端將有新的變化，同時(shí)考慮到5G手機(jī)將繼續(xù)兼容4G、3G 、2G標(biāo)準(zhǔn)，因此5G手機(jī)射頻前端將異常復(fù)雜。

圖一 手機(jī)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(jī)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(jì)難度大，材料要求特殊，也是本土IC需要攻破的難點(diǎn)之一，有專家特別指出射頻在5G手機(jī)的設(shè)計(jì)中尤為關(guān)鍵，4G手機(jī)最大的制造成本在屏幕與處理器，但5G手機(jī)最大的成本或許會(huì)轉(zhuǎn)向整套的射頻方案其幾個(gè)甚至超過了手機(jī)處理器平臺(tái)！市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)Navian預(yù)測(cè)，2020年僅移動(dòng)終端中射頻前端芯片的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到212億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)15.4%！

5G時(shí)代，手機(jī)射頻器件將會(huì)有哪些新的發(fā)展趨勢(shì)，近日電子創(chuàng)新網(wǎng)等專訪了Qorvo亞太區(qū)移動(dòng)事業(yè)部市場(chǎng)戰(zhàn)略高級(jí)經(jīng)理陶鎮(zhèn)，他分享了有關(guān)5G手機(jī)射頻前端未來(lái)發(fā)展的洞見。

圖二 陶鎮(zhèn)與媒體交流

5G 手機(jī)射頻前端發(fā)展趨勢(shì)

總體而言，5G時(shí)代，射頻數(shù)量將大幅度增加，因此5G手機(jī)成本會(huì)進(jìn)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(jià)值量帶來(lái)翻倍增長(zhǎng)。以5G手機(jī)為例，單部手機(jī)的射頻半導(dǎo)體用量達(dá)到25美金，相比4G手機(jī)近乎翻倍增長(zhǎng)。其中濾波器從40個(gè)增加至70個(gè)，頻帶從15個(gè)增加至30個(gè)，接收機(jī)發(fā)射機(jī)濾波器從30個(gè)增加至75個(gè)，射頻開關(guān)從10個(gè)增加至30個(gè)，載波聚合從5個(gè)增加至200個(gè)！

這是因?yàn)?G時(shí)代，智能手機(jī)采取的1發(fā)射2接收架構(gòu)

圖3 4G手機(jī)射頻前端框圖

而到了5G時(shí)代，獨(dú)立組網(wǎng)的手機(jī)將采用2發(fā)射4接收的架構(gòu)

圖四 5G手機(jī)產(chǎn)品建議

圖五 最新5G手機(jī)射頻前端框圖

陶鎮(zhèn)表示僅此架構(gòu)的改變就要多預(yù)計(jì)將新增4個(gè)收發(fā)模組，合計(jì)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(yùn)營(yíng)商劃分的頻譜來(lái)看，5G時(shí)代增加了n41 2.6GHz，n773.5GHz和n794.8GHz三個(gè)頻段，所以需要增加三個(gè)射頻前端模組，有人說(shuō)中國(guó)移動(dòng)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(shí)這是因?yàn)?.5GHz是全球核心頻段，所以成熟度高，但其實(shí)中移動(dòng)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(jí)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(shí)際上，在去年11月初溫哥華GTI研討會(huì)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(duì)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(shí)代還需要額外的天線調(diào)節(jié)器來(lái)做天線隔離，這主要是因?yàn)轭l譜的翻倍，驅(qū)使你去使用更多的天線來(lái)做覆蓋而引起的。這樣的需求，也推動(dòng)了天線陣列的應(yīng)用、MIMO的誕生，給射頻前端提出新的需求。MIMO技術(shù)的應(yīng)用普及為天線帶來(lái)巨大增量市場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2020年，MIMO 64x8 將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，即基站端采用64根天線，手機(jī)采用8根天線。

圖七 5G手機(jī)天線設(shè)計(jì)

“到了5G時(shí)代，基站和手機(jī)都必須引入天線陣列，基站可以做到64×64，但手機(jī)受限于尺寸限制，只能做到4×4或者2×4，這就帶來(lái)了相關(guān)射頻的需求”，陶鎮(zhèn)說(shuō)?！皝?lái)到MIMO方面，這個(gè)在4G時(shí)代就存在的技術(shù)到了5G則迎來(lái)了更剛性的需求。新的通信標(biāo)準(zhǔn)要求下行有4×4，上行也要翻倍，這也帶來(lái)了射頻器件的增加。”

圖八 Qorvo n79射頻前端模塊

針對(duì)射頻前端集成化趨勢(shì)，陶鎮(zhèn)表示幾家領(lǐng)先手機(jī)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(duì)覆蓋低頻的模塊集成的是1到2個(gè)功放、濾波器或者雙工器，針對(duì)中高頻（1.7Hz到2.5GHz）或者高頻模塊，則集成了三個(gè)以上PA和幾十個(gè)濾波器。

“對(duì)于中高頻射頻前端，需要集成BAW濾波器才能達(dá)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?yàn)槭転V波器限制，另外是可生產(chǎn)能力的限制，因?yàn)橹懈叨四K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(lái)旗艦機(jī)的方向。”他補(bǔ)充說(shuō)，“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(shì)。因?yàn)椴⒉皇撬械母?jìng)爭(zhēng)對(duì)手都同時(shí)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(shí)現(xiàn)集成方案。

5G手機(jī)PA趨勢(shì)

功率放大器（PA）是一部手機(jī)最關(guān)鍵的器件之一，它直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)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(jī)所需的PA芯片為5-7顆，預(yù)測(cè)5G手機(jī)內(nèi)的PA芯片將達(dá)到16顆之多。

陶鎮(zhèn)表示就工藝材料來(lái)說(shuō)，目前砷化鎵PA依然是主流，國(guó)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(lái)越成熟并有集成的優(yōu)勢(shì)但是因?yàn)?a target="_blank">參數(shù)性能的影響，它只適用于低端市場(chǎng)。

“其實(shí)Qorvo同時(shí)有CMOS工藝和砷化鎵工藝，我們會(huì)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(duì)4G 5G還有SOI工藝可以選擇，然后是砷化鎵，相對(duì)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(lái)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(jī)的總輻射功率?！彼a(bǔ)充說(shuō)。

在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標(biāo)上均要強(qiáng)于砷化鎵，5G直能手機(jī)會(huì)采用氮化鎵PA嗎？

對(duì)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(lái)5G基站中也會(huì)大量使用氮化鎵產(chǎn)品，但目前氮化鎵產(chǎn)品沒后在手機(jī)中使用，“近期，兩三年之內(nèi)氮化鎵不會(huì)用在手機(jī)，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(jī)最多到5V，所有氮化鎵驅(qū)動(dòng)是個(gè)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(lái)，看以后6G、7G是否有可能用到吧?！彼a(bǔ)充道。“不過氮化鎵在基站端會(huì)有很多應(yīng)用。”

他表示5G時(shí)代，PA會(huì)引入更多的技術(shù)（如包絡(luò)跟蹤）來(lái)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(lái)優(yōu)化效率。但包絡(luò)跟蹤器預(yù)計(jì)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(dá)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(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)寬帶5G 傳輸，同時(shí)會(huì)降低效率。

5G手機(jī)濾波器發(fā)展趨勢(shì)

目前，SAW、BAW濾波器是手機(jī)應(yīng)用的主流濾波器，但5G新增頻段對(duì)濾波器提出了新的需求，有望拉動(dòng)BAW（體聲波）濾波器的快速增長(zhǎng)，這是因?yàn)镾AW（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(gè)是平面?zhèn)鬟f能量的濾波器，而BAW是一個(gè)垂直傳遞能量的濾波器，這兩個(gè)濾波器都是基于聲學(xué)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(xué)濾波器的優(yōu)勢(shì)是尺寸可以做到很小，因此廣泛用在手機(jī)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(shí)代引入了新的頻譜3.5G和4.8GHz，BAW在這個(gè)頻率段有優(yōu)勢(shì)，所以BAW濾波器會(huì)有大的增長(zhǎng)，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(jìn)工藝，希望未來(lái)在5G這兩個(gè)頻段，聲學(xué)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(dāng)頻段越來(lái)越多，甚至開始使用載波聚合的時(shí)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(xué)及醫(yī)學(xué) (ISM) 頻段，在大小、性能、成本和上市時(shí)間方面均處于市場(chǎng)領(lǐng)先水平。

圖十一Qorvo的5個(gè)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(fù)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(shí)不斷地做進(jìn)一步集成以減少器件的數(shù)量。“在調(diào)諧器及開關(guān)方面，5G時(shí)代MEMS 開關(guān)應(yīng)用會(huì)更多，因?yàn)槲磥?lái)5G的第三個(gè)場(chǎng)景——高可靠性零時(shí)延場(chǎng)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(huì)跟運(yùn)營(yíng)商商密切溝通，解決5G時(shí)代射頻需求?！彼赋?。