近日，CCS Insight發(fā)布了《射頻前端的發(fā)展讓5G手機(jī)成為可能》的報(bào)告，分享了射頻前端設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的演變及其背后的原因，以及芯片行業(yè)在應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜性并持續(xù)改善用戶體驗(yàn)方面做出的努力。報(bào)告指出，為了應(yīng)對(duì)向5G演進(jìn)過(guò)程中射頻復(fù)雜性的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的芯片制造商高通公司已經(jīng)將射頻元器件和技術(shù)方案組合在一起，為智能手機(jī)制造商提供一個(gè)成熟的調(diào)制解調(diào)器到天線的射頻解決方案。這種新穎的策略為終端生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的價(jià)值，并幫助手機(jī)制造商節(jié)約了射頻工程資源。
射頻設(shè)計(jì)的復(fù)雜性
十年前，蜂窩設(shè)備的射頻（RF）設(shè)計(jì)開始發(fā)生根本性的變化，為目前的射頻前端，即智能手機(jī)中調(diào)制解調(diào)器和天線之間部分的日益成熟鋪平了道路。當(dāng)時(shí)全球正在經(jīng)歷從多種零散的3G全球蜂窩技術(shù)到統(tǒng)一的4G無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)這一重要過(guò)渡階段，也就是所謂的長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE），邁出了改進(jìn)蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)以充分利用無(wú)線頻譜資源漫長(zhǎng)旅程中的第一步。
4G LTE的面世需要一套新的無(wú)線技術(shù)，以盡可能的利用可用的蜂窩無(wú)線頻譜，并最高效地使用離散的頻譜資源。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，射頻工程師從根本上重塑了射頻前端的無(wú)線信令和傳輸架構(gòu)，增加了載波聚合（Carrier Aggregation）、高階調(diào)制（Higher-Order Modulation）和多入多出（MIMO）天線等主要功能。通過(guò)整合更多的無(wú)線頻譜來(lái)整體改善無(wú)線連接及性能，移動(dòng)設(shè)備中的射頻設(shè)計(jì)也因此變得相當(dāng)復(fù)雜。
本系列由三部分組成，旨在解密射頻前端RFEE設(shè)計(jì)及技術(shù)如何促使5G智能手機(jī)的面世；探討為何手機(jī)中的射頻前端設(shè)計(jì)變得如此復(fù)雜；審視射頻前端架構(gòu)，描述芯片行業(yè)如何應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜性并能持續(xù)改善用戶體驗(yàn)。
sophistication射頻前端之謎
進(jìn)入4G時(shí)代之前，蜂窩無(wú)線電設(shè)計(jì)是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的事情。傳統(tǒng)的射頻前端只需支持屈指可數(shù)幾個(gè)不同的無(wú)線頻率，從而只需要少量的射頻元器件和天線來(lái)提供下行和上行的功能。但是隨著行業(yè)開始4G的長(zhǎng)期演進(jìn)，射頻前端設(shè)計(jì)必須能夠快速擴(kuò)展，以滿足全球各地?zé)o線蜂窩應(yīng)用對(duì)頻譜增加的需求。
時(shí)至今日，在4G和5G手機(jī)中看到支持超過(guò)20個(gè)頻段及多個(gè)天線的射頻前端設(shè)計(jì)已不罕見。與3G相比，4G起步階段面對(duì)的復(fù)雜情況造成了射頻前端部分的幾何級(jí)數(shù)式增長(zhǎng)。隨著行業(yè)向5G過(guò)渡，射頻設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)更加復(fù)雜，給設(shè)備制造商帶來(lái)了抑制射頻復(fù)雜性再一次指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的艱巨任務(wù)。事實(shí)上我們的研究表明，在智能手機(jī)的物料（BOM）成本構(gòu)成上，射頻前端部分上升幅度最為顯著。而相比射頻前端部分成本和復(fù)雜度的增長(zhǎng)，其他功能區(qū)的成本和復(fù)雜度僅有小幅增長(zhǎng)。
最新的5G射頻前端設(shè)計(jì)必須支持新的、更高帶寬的5G頻率，以及越來(lái)越多的LTE頻段組合以應(yīng)對(duì)更高的網(wǎng)絡(luò)需求。因?yàn)榇蠖鄶?shù)5G網(wǎng)絡(luò)推出時(shí)使用的是非獨(dú)立組網(wǎng)5G；這意味著同時(shí)激活兩套不同的無(wú)線信號(hào)，即5G和4G，它們具有不同且獨(dú)立的射頻鏈接。
5G標(biāo)準(zhǔn)也助力迎來(lái)新的、尚未使用過(guò)的24GHz以上頻譜，通常被稱為毫米波頻段。這些頻段的頻寬高達(dá)1GHz，使無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾食^(guò)了7Gbps。但為了實(shí)現(xiàn)這種速率，設(shè)備設(shè)計(jì)犧牲了信號(hào)覆蓋；5G毫米波的接收和傳播在實(shí)際應(yīng)用中更加困難，這也迫使新的無(wú)線電技術(shù)，如波束成形和波束轉(zhuǎn)向的應(yīng)用以產(chǎn)生可用的毫米波5G連接。
隨著5G手機(jī)中的無(wú)線頻段和射頻元件的數(shù)量的增加，設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)支持三代蜂窩無(wú)線技術(shù)的射頻前端變得更加困難。下表說(shuō)明了隨著3G、4G和5G網(wǎng)絡(luò)中支持的頻段數(shù)量的增加，導(dǎo)致射頻部分復(fù)雜性的失控式增長(zhǎng)；對(duì)比11年前三星Galaxy系列的第一代設(shè)計(jì)，我們可以看到伴隨每一次移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的迭代而帶來(lái)支持更多射頻頻段的需求，以及不斷增加的無(wú)線帶寬對(duì)射頻前端設(shè)計(jì)要求的提高。這意味著手機(jī)廠商需要著重致力于在控制成本膨脹而產(chǎn)品體積受限的情況下設(shè)計(jì)出更高性能的射頻前端。
三臺(tái)設(shè)備在每次移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)迭代支持的無(wú)線頻段數(shù)量
一直以來(lái)，射頻方面的復(fù)雜性及其帶來(lái)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在產(chǎn)品宣傳中被隱藏起來(lái)不為消費(fèi)者所知。因?yàn)檫@些復(fù)雜性會(huì)使產(chǎn)品信息變得模糊不清。智能手機(jī)用戶不需要也不想了解這種不斷增加的復(fù)雜性；他們希望無(wú)論住在哪里，自己的手機(jī)都能隨時(shí)隨地正常工作。
為什么一定要如此復(fù)雜？
為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)迭代和用戶體驗(yàn)的數(shù)量級(jí)提升，更多的無(wú)線頻譜被啟用。但一個(gè)不可忽視的現(xiàn)實(shí)是，射頻前端設(shè)計(jì)不能隨著對(duì)手機(jī)無(wú)線需求的增加而同步擴(kuò)展。因?yàn)轭l譜是一種稀缺資源，政府不得不對(duì)射頻頻譜進(jìn)行配給，造成了今天大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足5G的預(yù)期需求的局面。毫米波技術(shù)是一種解決方案，但它的傳播效果并不理想，所以射頻設(shè)計(jì)者不能僅僅依靠它來(lái)解決頻譜緊張的問(wèn)題。他們需要在消費(fèi)級(jí)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)前所未有的射頻組合支持及構(gòu)建具有最佳兼容性的蜂窩無(wú)線設(shè)計(jì)。
從Sub-6GHz到毫米波，所有可用的頻譜必須在最新的射頻和天線設(shè)計(jì)中得到利用和支持。而且由于頻譜資源的不一致，頻分雙工和時(shí)分雙工的功能都必須集成在一個(gè)射頻前端設(shè)計(jì)中。另外，載波聚合通過(guò)綁定不同頻率的頻譜來(lái)增加虛擬管道帶寬，也提升了對(duì)射頻前端的要求和復(fù)雜程度。
此外，無(wú)線局域網(wǎng)和Wi-Fi不斷演進(jìn)的功能又增加了一層復(fù)雜性，因?yàn)榉涓C和Wi-Fi信號(hào)必須保持分離，否則就會(huì)出現(xiàn)大量射頻干擾的風(fēng)險(xiǎn)。最新的Wi-Fi 6E標(biāo)準(zhǔn)已引入6GHz的頻譜。因此，射頻前端必須有先進(jìn)的過(guò)濾技術(shù)以避免射頻信號(hào)的重疊。
智能手機(jī)的射頻前端設(shè)計(jì)因?yàn)?G帶來(lái)的射頻要求指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)而變得如此復(fù)雜。如今的消費(fèi)者可以期待廠商解決所有這些射頻挑戰(zhàn)，但并不能完全了解這種復(fù)雜程度是如何演變過(guò)來(lái)的。從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō)，如果要實(shí)現(xiàn)普及5G的承諾，射頻前端設(shè)計(jì)的復(fù)雜性是無(wú)法避免的。
當(dāng)前5G手機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)
當(dāng)前射頻設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在許多方面。最新的旗艦設(shè)備中的實(shí)體天線數(shù)量從典型的3或4根大幅
提升到12根以上；這還不包括毫米波天線模組。下圖標(biāo)明了當(dāng)前設(shè)計(jì)中不斷增加的天線數(shù)量需求，以及需要額外加入的毫米波天線。
左圖：Realme GT中對(duì)應(yīng)中框位置上的一組Sub-6GHz柔性基板天線。
右圖：三星Galaxy A42中發(fā)現(xiàn)的包含兩個(gè)毫米波天線模組的天線陣列。
從4G發(fā)展到5G，需要更多的天線來(lái)支持4x4 MIMO天線，并覆蓋Sub-6GHz下從600MHz到7GHz的各個(gè)頻率。天線調(diào)諧器的使用有助于將現(xiàn)有天線重新用于多個(gè)頻率以減少實(shí)體天線的數(shù)量，即使這樣幫助很大，但5G的非獨(dú)立組網(wǎng)需要數(shù)以萬(wàn)計(jì)的載波聚合組合，而毫米波頻譜的特殊性需要多個(gè)無(wú)線電鏈。這無(wú)疑增加了射頻前端的元器件數(shù)量、成本和復(fù)雜程度。在5G智能手機(jī)中，很難逃避5G射頻前端設(shè)計(jì)中不斷增長(zhǎng)和演進(jìn)的需求；業(yè)界能做的最好的事情就是管控這種復(fù)雜性。
在智能手機(jī)中的射頻前端應(yīng)對(duì)射頻需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的同時(shí)，射頻前端部分也被要求減少在設(shè)備中的空間占用。換句話說(shuō)，射頻前端處在進(jìn)退兩難的境地，需要盡量平衡這兩個(gè)相互矛盾的需求。那么，5G的射頻前端如何在提升性能的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊？答案是通過(guò)電子集成技術(shù)。下圖是一個(gè)作為接收信號(hào)的射頻接收路徑或鏈接的前端模組圖片。在5G智能手機(jī)中印刷電路板的空間非常有限，模組有助于縮小印刷電路板上電子元器件的尺寸。
一款模塊化的射頻前端元器件；封裝尺寸為 6.5 毫米 x 5.4 毫米
射頻前端始于天線，途徑射頻收發(fā)器，結(jié)束于調(diào)制解調(diào)器。除此之外還有很多射頻技術(shù)應(yīng)用在天線和調(diào)制解調(diào)器之間。下圖簡(jiǎn)化說(shuō)明了一部最新5G手機(jī)設(shè)計(jì)中的各種射頻元器件。對(duì)于這些元器件的供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，5G提供了一個(gè)擴(kuò)大市場(chǎng)的黃金機(jī)會(huì)，因?yàn)樯漕l前端內(nèi)容的增長(zhǎng)與射頻復(fù)雜性的提升成正比。
三星Galaxy S21的5G射頻前端的簡(jiǎn)化示意圖。綠色方框表示射頻元器件；橙色表示毫米波天線模組，其中包含收發(fā)器、電源管理和相控陣天線。
例如，射頻濾波器的市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)在5G射頻前端市場(chǎng)中經(jīng)歷最高的增長(zhǎng)率，因?yàn)橹С指嗟臒o(wú)線頻率意味著需要過(guò)濾更多的無(wú)線頻率。博通、Qorvo、Skyworks Solutions、村田和高通等射頻元器件制造商都將從這一增長(zhǎng)市場(chǎng)中獲益。
然而，能在5G手機(jī)中提供這些射頻前端元器件只是一方面，而提供解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)射頻設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并使系統(tǒng)可靠運(yùn)行則完全是另外一回事。為了滿足這一新興的市場(chǎng)需求，傳統(tǒng)的芯片制造商高通公司已經(jīng)將射頻元器件和技術(shù)方案組合在一起，為智能手機(jī)制造商提供一個(gè)成熟的調(diào)制解調(diào)器到天線的射頻解決方案。這種新穎的策略為終端生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的價(jià)值，因?yàn)椴⒎撬惺謾C(jī)制造商都愿意投入大量的射頻工程資源來(lái)設(shè)計(jì)自己的射頻前端。
本文探討了自4G LTE誕生以來(lái)，射頻前端設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的演變，以及驅(qū)使這種復(fù)雜性背后的原因。在本系列的下兩篇文章中，我們將繼續(xù)揭開這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，并著重描述隨著5G技術(shù)成熟為射頻元件制造商帶來(lái)的新機(jī)遇。
