5G將至射頻前端即將騰飛

5G終端商用芯片很有可能會(huì)在2019年大量推出,但是各大廠商究竟是僅僅支持sub-6GHz還是加入毫米波還取決于各自的研發(fā)進(jìn)度。

在過去幾年中,通信廠商和硬件制造商都在積極布局5G產(chǎn)品,例如針對(duì)毫米波、MIMO、載波聚合等一系列軟硬件應(yīng)用的開發(fā)。

當(dāng)前最新的5G硬件都是在配合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),例如3GPPR15。雖然5G第一階段規(guī)范和更新還在進(jìn)行中,但是可以通過軟件更新的方式來滿足要求。

目前已經(jīng)推出的5G模組和收發(fā)機(jī)可以進(jìn)行軟件升級(jí),并且可以提供吞吐量處理功能,在當(dāng)前毫米波還沒有正式使用的情況下,依然可以提升潛在帶寬。

目前很多硬件制造商和通信公司都在積極推進(jìn)5G試驗(yàn)和部署,這種情況在2019年將會(huì)持續(xù)。在5G標(biāo)準(zhǔn)正式完成前,各個(gè)廠商通過使用這類可以修改的NSA5GNR技術(shù)來滿足5G需求。對(duì)于硬件和核心網(wǎng)絡(luò)來講,為了滿足未來5G標(biāo)準(zhǔn)最終版本,可編程能力和靈活性顯得至關(guān)重要。

這些先行的5G芯片可以支持2Gbps數(shù)據(jù)速度和28GHz毫米波,以及NSA5GNR、波束賦形、天線切換、3D頻率規(guī)劃工具和虛擬化RAN等。

無論是器件還是網(wǎng)絡(luò)硬件制造商、運(yùn)營商以及測(cè)試廠商,都在用模擬終端進(jìn)行5GNR測(cè)試。5G終端商用芯片很有可能會(huì)在2019年大量推出,但是各大廠商究竟是僅僅支持sub-6GHz還是加入毫米波還取決于各自的研發(fā)進(jìn)度。

射頻前端模塊簡介

射頻前端即RadioFrequencyFront-End,簡稱RFFE,是天線和射頻收發(fā)機(jī)之間的射頻電路部分。通俗的理解方式就是靠近天線部分的設(shè)備就是射頻前端。

5G標(biāo)準(zhǔn)正在如火如荼的推進(jìn),根據(jù)Qorvo預(yù)測(cè),在未來10年內(nèi),5G終端將會(huì)成為手機(jī)產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的部分。

根據(jù)StrategyAnalytics預(yù)測(cè),5G終端的出貨量將會(huì)從2019年的200萬部增長到2025年的15億部,而且根據(jù)QualcommTechnologies調(diào)查顯示,由于數(shù)據(jù)速度的提高,有50%的消費(fèi)者對(duì)5G手機(jī)表示有意愿購買。5G標(biāo)準(zhǔn)至今沒有最終完成,對(duì)于RF設(shè)計(jì)來說還存在很多指標(biāo)上的不確定性,例如功率回退電平,區(qū)域頻帶組合,上行鏈路MIMO和補(bǔ)充上行鏈路(SUL)。

射頻前端市場(chǎng)

RF前端(RFFE)模塊市場(chǎng)將受到新的5G標(biāo)準(zhǔn)的高度影響。這主要來自于5G帶來的射頻模塊復(fù)雜度的提升,用量的大大增加。尤其是MIMO和CA技術(shù)在5G中的應(yīng)用將會(huì)拉動(dòng)射頻前端器件的需求。據(jù)YoleDéveloppement稱,預(yù)計(jì)2023年RFFE的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到352億美元。

射頻前端除了用在各類型便攜設(shè)備中,還應(yīng)用在WiFi設(shè)施、IoT、智能電網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等,而其中三五族化合物半導(dǎo)體會(huì)占據(jù)RF市場(chǎng)的核心。

天線調(diào)諧器

天線調(diào)諧器是5G射頻前端中重要的控制器件,可以用來改善5G帶寬拓展帶來的匹配和效率降低的問題。

除此之外,天線調(diào)諧器還能夠簡化OEM廠商的設(shè)計(jì)過程,提高設(shè)計(jì)自由度。根據(jù)IHSMarkit預(yù)測(cè),中高端天線調(diào)諧器在2016到2021年將會(huì)達(dá)到4%的年復(fù)合增長率。

濾波器

濾波器一直是射頻信號(hào)處理的重要部件,并且隨著通信時(shí)代的更迭用量在不斷增加。3G網(wǎng)絡(luò)的通信頻段有5個(gè),而根據(jù)3GPP的更新,4GLTE已經(jīng)增加到了52個(gè)波段,5G的標(biāo)準(zhǔn)還沒有最終確定,但是5G的加入會(huì)讓已經(jīng)很密集的頻譜更加擁擠。

雖然對(duì)于單個(gè)手機(jī)來說要做到支持全球所有頻段很不實(shí)際,但是想要做到國際通用的功能豐富的機(jī)型,就需要在2G、3G和4G的發(fā)射和接收路徑上做到多達(dá)15個(gè)頻段的支持,同時(shí)也要支持WiFi、藍(lán)牙和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)。像這樣的4GLTE手機(jī)就需要30到40個(gè)濾波器。在5G時(shí)代,這個(gè)數(shù)字將會(huì)增加到60個(gè)以上。

濾波器的作用是通過特定頻率的信號(hào),讓其他頻率的信號(hào)受阻。按照可以通過信號(hào)的類型可以分為四種類型:低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器。帶阻濾波器也叫做陷阻濾波器。

5G對(duì)濾波器帶來的影響體現(xiàn)在兩方面。

首先是頻率的變化,sub-6GHz中的3.5-6.0GHz更有可能采用BAW和溫度補(bǔ)償型TC-BAW濾波器;而毫米波濾波器將會(huì)使用基于EM技術(shù)的高性能的波導(dǎo)和腔體濾波器。其次是用量的提升,RF路徑的增加大大刺激了濾波器用量的提升,預(yù)計(jì)在5G手機(jī)中至少有60個(gè)。

根據(jù)Yole的預(yù)測(cè),全球?yàn)V波器市場(chǎng)將會(huì)從2017年的150億美元增長到2023年的225億美元,年復(fù)合增長率達(dá)到19%。

射頻開關(guān)

射頻開關(guān)的作用是將多路射頻信號(hào)中的任一路或幾路通過控制邏輯連通,以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)路徑的切換,包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等,以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。

射頻開關(guān)的主要產(chǎn)品種類有移動(dòng)通信傳導(dǎo)開關(guān)、Wi-Fi開關(guān)、天線開關(guān)等,廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等移動(dòng)智能終端。智能手機(jī)可能包含10多個(gè)RF開關(guān)設(shè)備。

射頻開關(guān)在5G要求下既要滿足高功率高頻率要求,也要配合更加復(fù)雜的射頻信號(hào)路徑進(jìn)行結(jié)構(gòu)性提升。射頻開關(guān)可能會(huì)采用化合物半導(dǎo)體工藝如GaN、GaAs工藝等,或繼續(xù)沿用RFSOI工藝。根據(jù)QYRElectronicsResearchCenter預(yù)計(jì),到2020年射頻開關(guān)市場(chǎng)會(huì)達(dá)到19.01億美元。

目前RF開關(guān)的主要市場(chǎng)被海外公司占領(lǐng),國內(nèi)的RF開關(guān)技術(shù)還有待提高,國產(chǎn)化趨勢(shì)可以期待。

放大器

功率放大器方面,寬帶和高功率也使得原來的4GLTE中的功率放大器不再滿足要求。包絡(luò)追蹤技術(shù)需要進(jìn)一步加強(qiáng),或者采用平均功率追蹤技術(shù),但是也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的功率放大器效率問題。

4x4MIMO上行鏈路會(huì)增加功率放大器的使用量,在5G時(shí)代StrategyAnalytics預(yù)測(cè)稱手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。根據(jù)Marketandmarkets預(yù)測(cè),功率放大器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2018年的214億美元增長到2023年的306億美元,復(fù)合年增長率達(dá)到7.4%。

5G時(shí)代,智能手機(jī)射頻前端需要處理的頻段數(shù)量大幅增加,所需元器件數(shù)量隨之增加。另外,高頻段信號(hào)對(duì)濾波器、PA等射頻前端元器件性能的要求也更高,這些導(dǎo)致了射頻前端設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提升,也帶來了射頻前端價(jià)值量的提升,產(chǎn)業(yè)鏈有望迎來新的發(fā)展機(jī)遇。