5G如約將至，射頻前端市場(chǎng)將迎來(lái)哪些新挑戰(zhàn)

　　繼第五代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(5G NR)獨(dú)立組網(wǎng)功能凍結(jié)后，短短半個(gè)月時(shí)間，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商、移動(dòng)芯片廠商和手機(jī)廠商等各方面均在加快5G商用部署的腳步，為5G手機(jī)的到來(lái)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　6月14日，5G NR獨(dú)立組網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)凍結(jié)，加上去年12月完成的非獨(dú)立組網(wǎng)NR標(biāo)準(zhǔn)，5G已經(jīng)完成第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)全面沖刺的新階段。5G標(biāo)準(zhǔn)的最終確定，實(shí)現(xiàn)了5G“萬(wàn)里長(zhǎng)征”的第一步。

　　在上海舉辦的MWCS 2018上，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商紛紛表態(tài)，為2020年實(shí)現(xiàn)5G正式商用作出詳實(shí)部署。

　　中國(guó)移聯(lián)合大唐電信等合作伙伴發(fā)布“5G SA(獨(dú)立組網(wǎng))啟航行動(dòng)”，打通全球首個(gè)基于5G獨(dú)立組網(wǎng)端到端系統(tǒng)的全息視頻通話。同時(shí)公布5G商用計(jì)劃表，預(yù)計(jì)2018年底面向行業(yè)客戶開(kāi)放5G產(chǎn)品測(cè)試，明年10月實(shí)現(xiàn)友好用戶測(cè)試，2020年正式商用。

　　中國(guó)聯(lián)通副總經(jīng)理邵廣祿宣布，今年將在全國(guó)16個(gè)城市開(kāi)展5G規(guī)模試點(diǎn)，預(yù)計(jì)2019年開(kāi)始預(yù)商用，2020年正式商用。中國(guó)電信發(fā)布《中國(guó)電信5G技術(shù)白皮書(shū)》，提出5G“三朵云”目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和“一個(gè)前提、三個(gè)原則”的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)策略，采用SA組網(wǎng)方案，通過(guò)核心網(wǎng)互操作實(shí)現(xiàn)4G和5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同，初期主要滿足eMBB(增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)場(chǎng)景需求。

　　今年在深圳舉辦的IMT-2020(5G)峰會(huì)上，工信部副部長(zhǎng)陳肇雄表示，目前5G第一階段的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定完成，我國(guó)企業(yè)全面參與了5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定，新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多項(xiàng)技術(shù)方案被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織采納。目前，我國(guó)已經(jīng)突破大規(guī)模天線、網(wǎng)絡(luò)編碼等關(guān)鍵技術(shù)，各項(xiàng)測(cè)試工作將加速進(jìn)行。確保今年底前推出符合第一版本5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的商用系統(tǒng)設(shè)備。

　　5G給我們帶來(lái)什么?

　　提到5G網(wǎng)絡(luò)，與4G時(shí)代不同，將具有更高速率、更低時(shí)延和海量的連接。較4G提升數(shù)十倍的速度、低于1ms的低時(shí)延、全球超過(guò)500億臺(tái)設(shè)備相互連接。以此，也建立了超寬帶移動(dòng)通信(eMBB)、超低延時(shí)通信(uRLLC)、海量物連(mMTC)三大5G應(yīng)用場(chǎng)景。正是基于這三大場(chǎng)景讓5G時(shí)代催生了更多AR/VR、無(wú)人駕駛和遠(yuǎn)程醫(yī)療、萬(wàn)物互連等市場(chǎng)的應(yīng)用。從人與人的交互，轉(zhuǎn)變成物與物的溝通，實(shí)現(xiàn)電信級(jí)的蜂窩物聯(lián)，或?qū)⒁l(fā)人類社會(huì)的一場(chǎng)新變革。

　　圖：5G時(shí)代三大應(yīng)用場(chǎng)景

　　通信行業(yè)專家指出，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。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(shí)Massive MIMO、波束成形、載波聚合、毫米波等關(guān)鍵技術(shù)也將助長(zhǎng)射頻前端芯片需求增加這一趨勢(shì)，直接推動(dòng)射頻前端芯片市場(chǎng)成長(zhǎng)。

　　射頻前端的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于即將到來(lái)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(duì)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(dāng)前5G通信頻譜使用中，主要分為Sub-6GHz 與6GHz以上頻段兩個(gè)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(duì)于最接近商用的Sub-6GHz頻段，中國(guó)使用的頻段為3.3G～5GHz頻段，頻譜高于4G時(shí)代的最高頻段2.7GHz，并且未來(lái)5G可能需要覆蓋的頻段更多。整個(gè)射頻前端需要搭配更多、功率更高的射頻器件以實(shí)現(xiàn)頻率的覆蓋。以Sub-6GHz為例，一部支持3.5GHz和4.9GHz兩個(gè)頻段的5G智能機(jī)，其4G/5G射頻功放的通路個(gè)數(shù)至少?gòu)默F(xiàn)在的3路增加至5路。若未來(lái)支持毫米波的話，還要提升到6路或者更多。這在智能設(shè)備尺寸越來(lái)越小的趨勢(shì)下，對(duì)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(jìn)

　　另外，據(jù)射頻行業(yè)人士向集微網(wǎng)解釋，對(duì)于Sub-GHz以下的射頻器件，還會(huì)采用多進(jìn)多出(MIMO)的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)更高速率的信號(hào)傳輸，在MIMO中，不論是發(fā)射還是接收，都需要倍數(shù)級(jí)的射頻前端器件進(jìn)行支持。以CPE(Customer Premise Equipment，無(wú)線路由器的簡(jiǎn)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(jí)增長(zhǎng)。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(wú)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(luò)需求。波束成型需要將陣列級(jí)別的射頻信號(hào)進(jìn)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(jí)的射頻前端來(lái)進(jìn)行射頻傳輸，這對(duì)手機(jī)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(gè)數(shù)，需要單獨(dú)的硬件進(jìn)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(gè)數(shù)，與不斷降低的連接終端成本之間的價(jià)格矛盾，也對(duì)單個(gè)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(duì)射頻器件性能的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于Sub-6GHz頻段，由于5G頻段的頻率更高、衰減多，未來(lái)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(jí)將由 Power Class 3轉(zhuǎn)換成Power Class 2，這對(duì)射頻廠商的設(shè)計(jì)難度也提出新的挑戰(zhàn)。

　　對(duì)于毫米波頻段，歐美傳統(tǒng)射頻廠商一般采取IDM模式，即設(shè)計(jì)與代工同時(shí)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(jìn)方面可以帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。但GaAs傳統(tǒng)HBT工藝的特征頻率無(wú)法滿足26G～29GHz及更高頻率的要求，無(wú)法應(yīng)用于毫米波頻段。在毫米波應(yīng)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(shì)，在5G時(shí)代將不復(fù)存在。對(duì)于包括Skyworks、Qorvo等在內(nèi)的傳統(tǒng)射頻廠商，必須進(jìn)行新技術(shù)的開(kāi)發(fā)?！氨M管在GaN、InP工藝升級(jí)方面也有嘗試，目前仍無(wú)法找到一個(gè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟和經(jīng)濟(jì)效益的平衡點(diǎn)?！鄙漕l行業(yè)人士分析道，這對(duì)于擁有Foundry廠的傳統(tǒng)射頻廠商來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)非常大，似乎到了技術(shù)分岔口。

　　圖：頻率及功率應(yīng)用與工藝選擇的關(guān)系

　　可重構(gòu)射頻前端，適用于5G演進(jìn)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(guó)內(nèi)一家射頻廠商：慧智微電子，借助RF CMOS及SOI技術(shù)，運(yùn)用 “軟件可重構(gòu)”架構(gòu)進(jìn)行全新的射頻前端設(shè)計(jì)，滿足未來(lái)4G演進(jìn)及5G對(duì)射頻器件小尺寸、低成本、高性能多方面的需求，順應(yīng)市場(chǎng)及技術(shù)發(fā)展。

　　以4G時(shí)代為例，覆蓋全部頻段，Skyworks及Qorvo等傳統(tǒng)方案至少采取3個(gè)射頻通路完成信號(hào)的放大，采用慧智微可重構(gòu)技術(shù)的4G手機(jī)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，至少可以節(jié)省一個(gè)射頻通路?！霸?G時(shí)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(gè)數(shù)保持在2路，甚至1路就能夠滿足對(duì)頻段的需求。與傳統(tǒng)方案下需要6個(gè)通路相比，無(wú)論是成本還是芯片尺寸，都會(huì)是非常明顯的減少?！被壑俏EO，國(guó)家千人計(jì)劃專家李陽(yáng)博士對(duì)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(shí)現(xiàn)的4G射頻前端方案對(duì)比

　　對(duì)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(gè)新方向，而且，隨著工藝節(jié)點(diǎn)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(duì)每一路的要求都下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這也使CMOS成為更適用于毫米波應(yīng)用的工藝技術(shù)。

　　圖：CMOS工藝特征頻率隨時(shí)間的演進(jìn)

　　李陽(yáng)博士表示，在這輪5G射頻前端市場(chǎng)的變革中，慧智微的可重構(gòu)技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(wèn)題，還能實(shí)現(xiàn)性能的進(jìn)一頻提升，并且可以借助CMOS/SOI制造工藝延續(xù)帶來(lái)的性能提升，持續(xù)進(jìn)行性能、尺寸、成本的演進(jìn)。

　　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(duì)未來(lái)5G終端的功率、環(huán)境負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)配方面提供靈活的支持。無(wú)論在系統(tǒng)性能、場(chǎng)景優(yōu)化、功耗控制等任何方面，5G的應(yīng)用場(chǎng)景越復(fù)雜，可重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將表現(xiàn)得越加明顯。