5G时代手机射频前端应该如何去设计?

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伴随着5G移动通信、物联网、云计算、人工智能等新技术和新业态的蓬勃发展,全球集成电路产业正迈入新一轮的重大转型和变革期,中国集成电路产业发展面临着新的机遇和挑战。
 
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在8月22-23日于南京举办的“2018中国集成电路技术应用研讨会暨南京国际集成电路技术达摩论坛”(简称CCIC2018)上,Qorvo中国区移动事业部销售总监江雄与现场观众讨论了5G智能手机中RF复杂性的趋势,并表示Qorvo的研发正在解决这些趋势,以便更好的为客户提供广泛的解决方案组合,满足他们的全部产品组合需求。
 
5G三大应用场景与射频设计的三大困难
 
众所周知,面对即将到来的5G时代,国际电信联盟委员会、3GPP等已达成共识,主要的应用均可纳入这三大场景的范畴之中——eMBB(增强移动宽带)、mMTC(5G时代的万物互联)与uRLCC(高可靠性、零时延应用)。对于其中的增强移动宽带,江雄则指出5G手机要求的约20Gb/s的高速率对于射频供应商来说产品设计的挑战非常大。
 
如果我们对比4G手机与5G手机不难发现,相较4G-LTE与基站连接,再到核心数据网,5G则会有两种组网模式——独立组网SA与非独立组网NSA。从成本的角度考虑,独立组网相比于非独立组网,所有的核心网,从接入网数据层面、控制层面、语音层面都是纯粹的基于5G-NR新标准,而非独立组网则可以基于4G-LTE的核心网和接入网,只需在数据层做5G的基站部署,因此成本占有很大优势。但从功能性上考虑,非独立组网还不能算作完整的5G网络,只是中间的过渡形式。
 
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从 LTE 到 5G 部署的逐步过渡。
 
而频谱资源作为5G技术研发的先行军,是5G商用的基石。5G需要的更多频谱,对射频器件的设计也带来了更多新的挑战。“Size,Size,Size,重要的事情说三遍”,江雄提到Size便是Qorvo在于客户进行交流时他们最为关心的话题。此外,5G的高速率与MIMO应用带来的电流消耗以及天线个数的增多对于每一个射频工程师来讲同样也是令人头疼不已的难题。
 
一切为了更好的集成
 
目前4G手机的射频前端(RFFE)仍是移动电话的射频收发器和天线之间的功能区域,主要由功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、开关、双工器、滤波器和其他被动设备组成。一个设计合理的RFFE对于当前在手机性能、功能和工业设计方面的创新至关重要。
 
“4G手机目前已有部分集成了,但对于5G手机而言还远远不够,频谱的增加、带宽的提高、波形的演进带来的更多滤波器、PA、天线、开关与LNA模块都要求更好的集成度以降低射频前端的Size。”江雄指出。此外,PA的两路上行与随着业界采用新的Power Class 2标准,将天线处的输出功率增加至26dBm,以克服高频频率下更大的电波传播损耗,提高功率输出变得愈发重要。增加PA的输出功率,同时保持线性,最大限度地减少电流消耗并避免散热问题亦是提高射频前端性能的关键。
 
从智能手机系统架构上也可以看出,5G需求更高的数据速率,需要更多的天线,以使用多种方式来提供,包括多频带载波聚合、4x4LTE MIMO与Wi-Fi MIMO,天线的典型数量也将从4G手机的4-6根增加到8-10根,甚至更多,但天线可用空间在缩小。另外,随着600MHz频段的增加,频谱范围不断扩大,高频段的频率在3GHz以上即将投入使用,天线调谐与天线分工器变得越来越重要。
 
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随着手机 RF 内容的增加,添加天线的能力将受限。
 
“Qorvo是移动天线调谐解决方案的行业领导者,拥有多种基于低损耗开关的孔径和阻抗调谐产品,”江雄指出。“天线分工器利用不同频段、不同功能性的组合,在未来5G的智能手机里减少了手机系统增加天线的需求,并在射频前端的复杂性不断增加时保持天线数量在可控范围内,避免了性能下降。”
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“Qorvo的射频技术一直在不断向前引进,积累了许多针对不同应用的领先工艺,例如SAW/BAW滤波器、GaAs/GaN技术以及载波聚合和MIMO等等。本地与全球的Team都有很强的实力能够更好的为客户服务,致力推动大规模商用5G时代的到来。”江雄最后强调道。
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为使智能手机在不断增加的 RF 频段范围内高效工作并支持向 5G 过渡,天线孔径调谐至关重要。智能手机需要更多天线来支持不断增加的 RF 要求(例如新的 5G 频段、MIMO 和载波聚合),但是由于智能手机工业设计的变化,提供给这些天线的可用空间却很小。因此,天线变得越来越小,这可能会降低天线的效率和带宽。

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