5G如約將至，射頻前端市場將迎來哪些新挑戰(zhàn)

　　繼第五代移動通信技術(shù)標準(5G NR)獨立組網(wǎng)功能凍結(jié)后，短短半個月時間，國內(nèi)三大運營商、移動芯片廠商和手機廠商等各方面均在加快5G商用部署的腳步，為5G手機的到來打下堅實基礎。

　　6月14日，5G NR獨立組網(wǎng)功能實現(xiàn)凍結(jié)，加上去年12月完成的非獨立組網(wǎng)NR標準，5G已經(jīng)完成第一階段全功能標準化工作，進入產(chǎn)業(yè)全面沖刺的新階段。5G標準的最終確定，實現(xiàn)了5G“萬里長征”的第一步。

　　在上海舉辦的MWCS 2018上，國內(nèi)三大運營商紛紛表態(tài)，為2020年實現(xiàn)5G正式商用作出詳實部署。

　　中國移聯(lián)合大唐電信等合作伙伴發(fā)布“5G SA(獨立組網(wǎng))啟航行動”，打通全球首個基于5G獨立組網(wǎng)端到端系統(tǒng)的全息視頻通話。同時公布5G商用計劃表，預計2018年底面向行業(yè)客戶開放5G產(chǎn)品測試，明年10月實現(xiàn)友好用戶測試，2020年正式商用。

　　中國聯(lián)通副總經(jīng)理邵廣祿宣布，今年將在全國16個城市開展5G規(guī)模試點，預計2019年開始預商用，2020年正式商用。中國電信發(fā)布《中國電信5G技術(shù)白皮書》，提出5G“三朵云”目標網(wǎng)絡架構(gòu)和“一個前提、三個原則”的網(wǎng)絡演進策略，采用SA組網(wǎng)方案，通過核心網(wǎng)互操作實現(xiàn)4G和5G網(wǎng)絡的協(xié)同，初期主要滿足eMBB(增強移動寬帶)場景需求。

　　今年在深圳舉辦的IMT-2020(5G)峰會上，工信部副部長陳肇雄表示，目前5G第一階段的國際標準已經(jīng)制定完成，我國企業(yè)全面參與了5G國際標準制定，新型網(wǎng)絡架構(gòu)等多項技術(shù)方案被國際標準組織采納。目前，我國已經(jīng)突破大規(guī)模天線、網(wǎng)絡編碼等關(guān)鍵技術(shù)，各項測試工作將加速進行。確保今年底前推出符合第一版本5G國際標準的商用系統(tǒng)設備。

　　5G給我們帶來什么?

　　提到5G網(wǎng)絡，與4G時代不同，將具有更高速率、更低時延和海量的連接。較4G提升數(shù)十倍的速度、低于1ms的低時延、全球超過500億臺設備相互連接。以此，也建立了超寬帶移動通信(eMBB)、超低延時通信(uRLLC)、海量物連(mMTC)三大5G應用場景。正是基于這三大場景讓5G時代催生了更多AR/VR、無人駕駛和遠程醫(yī)療、萬物互連等市場的應用。從人與人的交互，轉(zhuǎn)變成物與物的溝通，實現(xiàn)電信級的蜂窩物聯(lián)，或?qū)⒁l(fā)人類社會的一場新變革。

　　圖：5G時代三大應用場景

　　通信行業(yè)專家指出，射頻在5G手機的設計中尤為關(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。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時代將有更多的頻段資源被投入使用，多模多頻使得射頻前端的芯片需求增加，同時Massive MIMO、波束成形、載波聚合、毫米波等關(guān)鍵技術(shù)也將助長射頻前端芯片需求增加這一趨勢，直接推動射頻前端芯片市場成長。

　　射頻前端的挑戰(zhàn)

　　對于即將到來的5G通信，射頻前端面臨的挑戰(zhàn)主要表面在以下方面：

　　-更多射頻通路下的布局空間挑戰(zhàn)。

　　- 更多射頻通路下的成本挑戰(zhàn)。

　　- 更高功率輸出、更高工作頻段對射頻器件性能的挑戰(zhàn)。

　　更多射頻通路下的布局空間挑戰(zhàn)。

　　以當前5G通信頻譜使用中，主要分為Sub-6GHz 與6GHz以上頻段兩個頻譜。Sub-6GHz指的是6GHz以下頻段，6GHz以上指的是26GGHz以上的毫米波頻段。針對于最接近商用的Sub-6GHz頻段，中國使用的頻段為3.3G～5GHz頻段，頻譜高于4G時代的最高頻段2.7GHz，并且未來5G可能需要覆蓋的頻段更多。整個射頻前端需要搭配更多、功率更高的射頻器件以實現(xiàn)頻率的覆蓋。以Sub-6GHz為例，一部支持3.5GHz和4.9GHz兩個頻段的5G智能機，其4G/5G射頻功放的通路個數(shù)至少從現(xiàn)在的3路增加至5路。若未來支持毫米波的話，還要提升到6路或者更多。這在智能設備尺寸越來越小的趨勢下，對射頻前端的尺寸提出了非常高的要求。

圖：終端通信模式與支持頻段的演進

　　另外，據(jù)射頻行業(yè)人士向集微網(wǎng)解釋，對于Sub-GHz以下的射頻器件，還會采用多進多出(MIMO)的技術(shù)方案實現(xiàn)更高速率的信號傳輸，在MIMO中，不論是發(fā)射還是接收，都需要倍數(shù)級的射頻前端器件進行支持。以CPE(Customer Premise Equipment，無線路由器的簡稱)為例，其接收和發(fā)射一般為4路及8路，也就代表了其射頻部件以x4，x8的倍數(shù)級增長。而在毫米波頻段，由于路徑衰減大，通信距離將變短，射頻廠商就無法做到全向的大功率傳輸。以此，射頻器件將采用波束成形+MIMO的方案滿足網(wǎng)絡需求。波束成型需要將陣列級別的射頻信號進行空間波束成型，通路數(shù)量一般在8路合成以上，每路至少需要一組射頻前端通路。所以，不論是Sub-6GHz，還是毫米波頻段，都需要倍數(shù)級的射頻前端來進行射頻傳輸，這對手機體積方面產(chǎn)生了巨大挑戰(zhàn)。

　　更多射頻通路下的成本挑戰(zhàn)。

　　由于增加射頻通路個數(shù)，需要單獨的硬件進行支持。所以射頻前端的成本，與射頻通路的通路數(shù)目成正比例關(guān)系。射頻前端本身不斷增加的通路個數(shù)，與不斷降低的連接終端成本之間的價格矛盾，也對單個射頻前端通路的成本，提出巨大挑戰(zhàn)。

　　更高功率輸出、更高工作頻段對射頻器件性能的挑戰(zhàn)

　　對于Sub-6GHz頻段，由于5G頻段的頻率更高、衰減多，未來可能還需射頻套件的輸出功率從原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空間覆蓋，即功率等級將由 Power Class 3轉(zhuǎn)換成Power Class 2，這對射頻廠商的設計難度也提出新的挑戰(zhàn)。

　　對于毫米波頻段，歐美傳統(tǒng)射頻廠商一般采取IDM模式，即設計與代工同時兼顧。Skyworks與Qorvo都擁有自建的GaAs 封裝廠，這在成本控制、技術(shù)演進方面可以帶來優(yōu)勢。但GaAs傳統(tǒng)HBT工藝的特征頻率無法滿足26G～29GHz及更高頻率的要求，無法應用于毫米波頻段。在毫米波應用中，歐美傳統(tǒng)射頻廠商在GaAs HBT工藝下線性功率的優(yōu)勢，在5G時代將不復存在。對于包括Skyworks、Qorvo等在內(nèi)的傳統(tǒng)射頻廠商，必須進行新技術(shù)的開發(fā)。“盡管在GaN、InP工藝升級方面也有嘗試，目前仍無法找到一個實現(xiàn)技術(shù)成熟和經(jīng)濟效益的平衡點?！鄙漕l行業(yè)人士分析道，這對于擁有Foundry廠的傳統(tǒng)射頻廠商來說挑戰(zhàn)非常大，似乎到了技術(shù)分岔口。

　　圖：頻率及功率應用與工藝選擇的關(guān)系

　　可重構(gòu)射頻前端，適用于5G演進的射頻前端技術(shù)

　　為了解決常規(guī)方案射頻前端面臨尺寸、成本、性能多方面壓力，國內(nèi)一家射頻廠商：慧智微電子，借助RF CMOS及SOI技術(shù)，運用 “軟件可重構(gòu)”架構(gòu)進行全新的射頻前端設計，滿足未來4G演進及5G對射頻器件小尺寸、低成本、高性能多方面的需求，順應市場及技術(shù)發(fā)展。

　　以4G時代為例，覆蓋全部頻段，Skyworks及Qorvo等傳統(tǒng)方案至少采取3個射頻通路完成信號的放大，采用慧智微可重構(gòu)技術(shù)的4G手機射頻功放芯片，僅需要2路射頻通路就可以滿足所有4G頻段需求。相比Skyworks等競爭對手，至少可以節(jié)省一個射頻通路?！霸?G時代，傳統(tǒng)歐美廠商需要將射頻套件增加到6路，而慧智微利用可重構(gòu)技術(shù)期待可將射頻通路個數(shù)保持在2路，甚至1路就能夠滿足對頻段的需求。與傳統(tǒng)方案下需要6個通路相比，無論是成本還是芯片尺寸，都會是非常明顯的減少?！被壑俏EO，國家千人計劃專家李陽博士對集微網(wǎng)講到。

　　圖：采用傳統(tǒng)架構(gòu)(上)與慧智微可重構(gòu)架構(gòu)(下)實現(xiàn)的4G射頻前端方案對比

　　對于毫米波頻段，高通已經(jīng)在毫米波上使用CMOS工藝，這也許成為射頻廠商的一個新方向，而且，隨著工藝節(jié)點的下降，CMOS工藝的射頻性能還能夠繼續(xù)提升。雖然CMOS在大功率輸出中還不如GaAs等工藝，然而，由于毫米波使用了波束成形技術(shù)，對每一路的要求都下降了一個數(shù)量級，這也使CMOS成為更適用于毫米波應用的工藝技術(shù)。

　　圖：CMOS工藝特征頻率隨時間的演進

　　李陽博士表示，在這輪5G射頻前端市場的變革中，慧智微的可重構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢愈加明顯。不僅幫助5G終端解決了因覆蓋更多頻段產(chǎn)生的尺寸和成本增加問題，還能實現(xiàn)性能的進一頻提升，并且可以借助CMOS/SOI制造工藝延續(xù)帶來的性能提升，持續(xù)進行性能、尺寸、成本的演進。

　　此外，從支持高數(shù)據(jù)率、多天線方面，可重構(gòu)技術(shù)能夠讓射頻器件對未來5G終端的功率、環(huán)境負載動態(tài)調(diào)配方面提供靈活的支持。無論在系統(tǒng)性能、場景優(yōu)化、功耗控制等任何方面，5G的應用場景越復雜，可重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢將表現(xiàn)得越加明顯。