5G 射频前端的终局之战：毫米波

本文源自Qorvo半导体

在上周于苏州举办的射频设计与测试论坛上，Qorvo 公司高级销售经理赵玉龙发表了一个题为《5G 射频前端的终局之战：毫米波》的演讲。

他首先指出，在最近几年，随着 5G 的到来，整个射频前端产业获得了飞速的发展，产品形态也从离散的器件，发展到模组化，并随之出现了很多新的名词，比如 PAMiD，PAMiF，DiFEM 等等。

Qorvo 公司高级销售经理赵玉龙

赵玉龙进一步指出，5G 的主要频率分为两个阶段，分别是 FR1 和 FR2。而演讲里谈到的毫米波，正是属于 FR2 阶段关注的技术重点。在进入这个阶段后，对射频前端也提出了更高的需求。作为一个射频供应商，Qorvo 一直专注的方向是如何让数据流更宽、如何让传输得更快、更有效率。这也是 Qorvo 未来的重点发展方向。

在具体谈毫米波之前，赵玉龙先生用一个蛋糕和金字塔模型，展现了从 FR1 过渡到 FR2 带给行业的变化。

据赵玉龙介绍，如上图左所示，按照不同应用场景，客户有不同的需求。例如在郊区和城乡结合部，客户更需要的是广泛的覆盖。在中环和内环一般商务和住宅区，客户则对数据速率有了一定的要求；来到高端写字楼、高铁站和飞机场等场景，对数据流量和高密度连接有较大的需求，这也是 5G 毫米波发挥功用的地方。

除了应用场景以外，我们也需要关注一下频率，因为这是一种非常宝贵的资源。如上图中所示，在低层，也就是需要实现广范围覆盖的地方，我们可以用 1Ghz 以下的频率来实现；在中间那个位置，1Ghz 到 7Ghz 的频段能够满足终端客户的需求；在更上面的一层，则需要 24Ghz 以上的频段。

“在以上不同的频段间，如上图右所示，我们可以看到他们能提供不同的带宽体验，也能给相关的厂商带来不同的挑战，当中最直接就体现在射频前端上”，赵玉龙接着说。为了更好地说明这些变化，他以 FR1 中 1Ghz 到 7Ghz 频段和 FR2 中的高频段对射频的不同需求做了详细说明。

如下图所示，在 1Ghz 到 7Ghz 频段（典型频段如 Band 2、Band 3、Band 41、n78 和 n79），整个信号对 PAR 要求更高，那就意味着因为信号携带大量数据，更高阶的调制带来信号幅度和相位的剧烈抖动。

同时，单载波在这个频段也可以达到 100Mhz 的频率带宽。作为对比，2G 的频率带宽是 0.2M，3G 的频率是 3.84 G，4G 的频率带宽也仅为 20M，这足以说明这个频段带来的明显提升。当然，因为有 100M 的信号会通过我们的 PA 和滤波器，我们可以看遇见其到其带来的挑战。

从上图我们还可以看到独立组网和非独立组网给射频前端带来的需求。此外，在包括更小的射频器件面积、FDD 模式下连续发射信号的 PA 效率、射频前端的损耗比以前大、SRS 带来的天线问题、更大的屏占比和更薄的电池等多个要求推动下，射频前端在 FR1 时代已经做出了一个不小的改变，从上图右边蓝色部分可以看到产业为了解决相关问题而做的一些应对之策。毫无疑问，砷化镓 HBT 的工艺，已经成为了不二选择。

来到了 FR2 阶段，行业则对射频射频前端提出了更高的要求。但从赵玉龙的介绍我们得知，在 Qorvo 看来，GaAs pHEMT 工艺会是毫米波时代一个非常有前景的技术。

赵玉龙表示，在毫米波时代，多载波的带宽可以做到 400Mhz，同时还要采用 1×2 或者 1×4 的天线阵列模式。“事实证明，现在在一个手机里面需要配备两到三个，或者三到四个 AiP 的模组”，赵玉龙接着说。

据介绍，在手机上下行的链路中，最困扰运营商和 OEM 的一个问题是手机的上行功率不太够。也就是说手机往基站发信号的功率比较小，而从基站到手机的下行功率则可以通过基站的多天线，或者基站增大功率解决。

“诸如发热、方向性、手机 ID 设计和前端插损等因素也会给 FR2 下的手机设计带来挑战”，赵玉龙在会上强调。按照他所说，要解决这些问题，就需要寻找一个优化的半导体制程来实现。而 OTM（Optimum  Technology Matching）就是 Qorvo 看中的一个方向。

赵玉龙在会上指出，通过引入 OTM，能够为开发者带来很好的效果，当中包括但不限于天线阵列在同样输出功率的前提下变得更小、效率会更高等。通过下图的一个对比范例，我们可以看到其中的价值。

如上图左所示，在 2020 年推出的一款手机，开发者在其上用了三个 AiP 的模组。然而在 2021 年推出的一款手机里，则只有两个 AiP 模组。在这个演变期间，运营商不但要求手机的上行发射功率能做得更高，还要求在产品的发热方面要做到更好的控制。至于 HMOV 这样的手机 OEM，他们不但希望射频前端拥有更小的尺寸、更小的 AiP 和毫米波模组，还希望提供非常有竞争力的成本。

“在这么多的需求鞭策下，现有的单芯片 CMOS 方案是无法解决现有的问题。这就驱使 Qorvo 去寻找新的解决方案”，赵玉龙强调。他进一步指出，如下图所示，基于单芯片硅的毫米波设计可以分成几个部分。其中橙色框代表 memory、混频，锁相环和 I/O 等模块。中间部分则包括各种功分器合路器等等的 RFIC，最右边则是我们熟悉的 PA、LNA 和 Switch 等射频器件。

这几个部分组成的一个产品，就是我们俗称的 FEM，也就是所谓的射频前端模组。这个模组跟天线靠的是非常近，这也是我们在 FR1 时代采用的 FEM 概念。但来到了 FR2 时代，Qorvo 则又提出了一个不同的方式。

如下图蓝框内所示，他不但包括了一个扩展的射频前端模组 eFEM（external Front End Mdule）。还包括了 Beamforming RFIC （内含混频器、锁相环等器件），当然，电源管理芯片也是这个设计不可或缺的一个重要组成部分。

“这是一个 Qorvo 在推动，并认为非常有前景的设计”，赵玉龙强调。从他的介绍我们得知，在 eFEM 中集成了两种不同工艺的优势。除了用 GaAs pHEMT 工艺来做 PA 以外，这个设计还用了 SOI 来做 LNA 和 Switch。据赵玉龙所说，Qorvo 在这个设计中用最佳的工艺来做最好的事情，这正是 Qorvo OTM 的宗旨。

虽然采用了不同的设计，但赵玉龙表示，基于这个新技术打造的芯片仍然可以做成 AiP 的方式，Qorvo 也正在和一些前沿合作伙伴以及品牌正在推动这个设计成为主流。因为这个设计与纯硅的设计相比，有很大的不同，为此有很多开发者对如何将这个新方案与原有的 CMOS 方案适配倍感疑惑。但如上图所示，这与传统的设计一样，都是通过数据接口等不同的连接方式实现的。

“换而言之，这种新设计与当前 FR1 中使用的模组概念，并没有太大区别”，赵玉龙强调。这也意味着新设计并不会给客户从 FR1 到 FR2 的过渡带来太大的障碍。

我们再深入看一下 Qorvo 正在研发的这个模组。正如上文所示，中间部分是用 SOI 做得 LNA、switch 和 controller 等器件，周边则是放了四颗基于 GaAs pHEMT 打造的 PA，这就给整个设计带来了灵活性。

“因为在这个设计中，是把不同的 die 封装在一起，因此我们可以根据客户的需求，做不同的配置，满足不同的需求，给他们带来更优的解决方案”，赵玉龙说。为了避免不同部件之间的频率干扰，Qorvo 还为整个设计了一个叫做“铜柱”的产品，来对这些器件进行隔离让不同的功能单元，分布在不同的腔体里。

据赵玉龙介绍，与传统的 CMOS 设计相比，Qorvo 的这个的新设计，不但能提供更大的发射功率，尺寸也能做到更小，在灵活性和接收灵敏度方面，也比纯 CMOS 的单芯片更有优势，达成了更好的效果。

赵玉龙举例说到，在实现一个 1×4 的双极化八通道毫米波模组的时候，如果选用纯 CMOS 的单芯片方案来做的时候，如果要做到 11dmm 的 channel，则需要 1.8W 的直流功耗。如果采用 Qorvo 的 eFEM 设计，达到同样的效果，则仅需要 1.02W 的功耗，新设计带来的效率提升是显而易见的。

如果我们把整个向上的发射功率增加到 14dbm，在这种情况下， eFEM 设计的功耗是一样，那就意味着在同样功耗的情况下，可以将发射功率提升一倍。如果我们把向上的发射功率增加到 17dbm，同时还把天线阵列从 1x4 变成 1x2，这样的话整个 AiP 设计更小，成本更低。但这时候我们可以看到，整个 AIP 的发射功率不变化，但他的直流功耗变小了，天线设计变简单了，对智能天线的 beamforming 快速捕捉会更快。这都是 OTM 设计带来的好处。

“我们展望一下，如果行业导入中心化 Transceiver 的概念，并在周边布置很多 eFEM 的 die，这样能带来设计灵活性提高，同时成本和尺寸也会降低，也能让毫米波模组的成本更有竞争力”赵玉龙说。