5G 設(shè)計推動射頻前端模塊化更接近現(xiàn)實

早期的 5G 實施始于 2019 年底，從那時起，射頻前端 (RFFE) 設(shè)計在更高的集成度和對從 5G 到 2G 無線電的多模操作的支持方面取得了長足的進步。

例如，這些 RFFE 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在支持毫米波 (mmWave) 頻段中可用的通道帶寬。反過來，這將為 RF 架構(gòu)的通用化打開大門，并可能通過將數(shù)模分界線移近天線來降低 RF 電路的復雜性。

RFFE 也稱為前端模塊。這些部件使用智能分區(qū)架構(gòu)來集成高速放大器、接收模數(shù)轉(zhuǎn)換器和傳輸路徑數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及不斷縮小的高頻濾波器設(shè)計。集成是 5G 無線電設(shè)計中的游戲名稱，因為分立的 RF 解決方案已不再足夠。

以 Qualcomm 的 RFFE 設(shè)計為例，該設(shè)計在調(diào)制解調(diào)器和天線之間集成了多個 RF 組件。這些調(diào)制解調(diào)器到天線的解決方案將調(diào)制解調(diào)器、RF 收發(fā)器、RF 前端組件和天線模塊結(jié)合在一起，從而使移動 OEM 能夠快速將設(shè)備商業(yè)化，并支持新的頻段，例如 41- GHz頻段。

最新的例子之一是高通的第四代 5G 調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案 Snapdragon X65 5G 調(diào)制解調(diào)器-RF 系統(tǒng)。驍龍 X65 支持高達 1 GHz 的毫米波頻譜和 300 MHz 的 sub-6-GHz 頻譜的頻譜聚合。

然后是來自 Analog Devices Inc. 的用于大規(guī)模 MIMO (M-MIMO) 無線電的 ADRF554x RF 前端。這些 RFFE 極大地增加了在多個頻段中同時運行的收發(fā)器通道的數(shù)量，同時將所有必要的硬件壓縮到更小的外形尺寸中。

ADRF554x 系列射頻前端集成了一個采用硅工藝的大功率開關(guān)和一個采用 GaAs 工藝的高性能低噪聲放大器。這些射頻前端覆蓋 1.8 GHz 至 5.3 GHz 的蜂窩頻段，針對 M-MIMO 天線接口進行了優(yōu)化設(shè)計。

因此，隨著需要支持的天線和頻段數(shù)量增加，以及實現(xiàn)足夠覆蓋所需的大量組件，我們看到射頻領(lǐng)域前所未有的復雜性。因此，在早期，5G 無線電的日益復雜性限制了擁有開發(fā)此類復雜射頻子系統(tǒng)專業(yè)知識的制造商的數(shù)量。然而，隨著 5G 設(shè)計的成熟，越來越多的供應(yīng)商正在加緊應(yīng)對 RFFE 挑戰(zhàn)。

射頻前端設(shè)計挑戰(zhàn)

在微型、微型、微微和毫微微蜂窩環(huán)境中部署大量基站以及物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)新終端設(shè)備的情況下，射頻設(shè)計代表了 5G 網(wǎng)絡(luò)的巨大機遇物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。對于高度多樣化的用例和需求，這可能會增加連接設(shè)備的巨大增長。

頻譜效率和重用、更高的速度和更低的延遲是 RFFE 設(shè)計的主要考慮因素，以滿足無線數(shù)據(jù)流量容量的巨大提升。首先，頻譜效率至關(guān)重要，因為毫米波頻率（高于 6 GHz 的頻譜）因廣泛的帶寬可用性而備受關(guān)注。

然而，毫米波波段的傳輸在室外區(qū)域最具挑戰(zhàn)性，RFFE 設(shè)計的任務(wù)是改善高路徑損耗、高氧氣和 H 2 O 吸收、通過樹葉的損耗以及因雨水而導致的衰落。因此，射頻設(shè)計人員正在采用波束成形和波束跟蹤技術(shù)來克服毫米波頻率中不利的信道特性。

其次，速度在 RFFE 設(shè)計中至關(guān)重要，因為 5G 無線電架構(gòu)運行的數(shù)據(jù)速率遠高于之前的 2G、3G 和 4G 系統(tǒng)。目前的 5G 系統(tǒng)比 4G LTE 無線電快 10 倍。

第三，延遲是新元素，以及 5G 設(shè)計中的更快訪問。這在 5G RFFE 中比在之前的 3G 和 4G 版本中重要得多。5G 的最小延遲為 1 毫秒或更短。另一方面，在 4G 系統(tǒng)中，延遲為 50 毫秒至 98 毫秒，在 3G 系統(tǒng)中為 212 毫秒，而在 2G 系統(tǒng)中則高達 629 毫秒。新的 5G 服務(wù)現(xiàn)在采用超可靠的低延遲通信功能來管理與延遲相關(guān)的問題。

高度集成的 RFFE 解決方案，例如 Qualcomm X55 5G 調(diào)制解調(diào)器-RF 系統(tǒng)，支持任意頻段和模式的組合，使工程師能夠?qū)Ｗ⒂诠I(yè)設(shè)計和用戶界面，從而在更短的時間內(nèi)以更低的成本提供更好的產(chǎn)品。（來源：高通）

5G 設(shè)計中 RFFE 問題的概要顯示了 RF 技術(shù)的破壞性。尤其是當射頻采樣越來越靠近天線時，這反過來又會簡化和縮小無線電外形尺寸并實現(xiàn)更高水平的集成。那么，在這個技術(shù)的十字路口，行業(yè)正在做些什么來促進更高水平的集成，同時控制設(shè)計的復雜性？以下部分將詳細介紹 RF 行業(yè)計劃。

OpenRF 聯(lián)盟

最近成立的開放射頻協(xié)會 (OpenRF) 旨在在 5G 設(shè)計中跨多模射頻前端創(chuàng)建硬件和軟件的功能互操作性。這個開放框架將標準化硬件和軟件接口，同時仍然允許射頻解決方案供應(yīng)商之間的設(shè)計創(chuàng)新。該聯(lián)盟的創(chuàng)始成員包括博通、英特爾、聯(lián)發(fā)科、村田、Qorvo 和三星。

據(jù) Mobile Experts 首席分析師 Joe Madden 稱，移動行業(yè)越來越需要結(jié)構(gòu)來處理復雜性，而這現(xiàn)在是射頻前端設(shè)計的一個標志?！癘penRF 將標準化非競爭領(lǐng)域的構(gòu)建模塊，從而使 RFFE 供應(yīng)商能夠?qū)⒕性趧?chuàng)新的尖端，”他說。

值得注意的是，定義射頻前端控制接口的 MIPI RFFE 規(guī)范將在 MIPI 聯(lián)盟的 RFFE 工作組內(nèi)繼續(xù)開發(fā)。此外，OpenRF 目前正在與 MIPI 聯(lián)盟達成聯(lián)絡(luò)協(xié)議。

上述針對 5G 手機和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的 RF 前端設(shè)計挑戰(zhàn)、解決方案和行業(yè)舉措的概述證明了超集成驅(qū)動使 RFFE 模塊化更加接近現(xiàn)實。此外，雖然 RF 前端封裝了對進出天線的信號進行路由、過濾和放大必不可少的組件，但這些高度集成的設(shè)計將直接影響設(shè)備的功耗。這對于提供全天電池壽命的 5G 設(shè)備設(shè)計至關(guān)重要。

審核編輯 黃昊宇