5G即将爆发 智能手机射频器件发展趋势预测

随着5G空口、SA、NSA等标准纷纷确定以及中国三大运营商频谱确定，5G时代已经正式开启，2019年我们将迎来5G手机大爆发，目前，华为、小米、OPPO、VIVO、一加等都声称将在2019年上半年推出5G手机，由于5G新增了频段（n41 2.6GHz，n77 3.5GHz和n79 4.8GHz），因此5G手机的射频前端将有新的变化，同时考虑到5G手机将继续兼容4G、3G 、2G标准，因此5G手机射频前端将异常复杂。

图一   手机射频前端构成框图

一般而言射频前端（RFFE）由功率放大器（PA：Power Amplifier），天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer和Diplexer）和低噪声放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等器件组成，它是智能手机的射频收发器和天线之间的功能区域，射频器件设计难度大，材料要求特殊，也是本土IC需要攻破的难点之一，有专家特别指出射频在5G手机的设计中尤为关键，4G手机最大的制造成本在屏幕与处理器，但5G手机最大的成本或许会转向整套的射频方案其几个甚至超过了手机处理器平台！市场调查机构Navian预测，2020年仅移动终端中射频前端芯片的市场规模将达到212亿美元，年复合增长率达15.4%！ 

5G时代，手机射频器件将会有哪些新的发展趋势，近日电子创新网等专访了Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇，他分享了有关5G手机射频前端未来发展的洞见。

图二  陶镇与媒体交流

5G 手机射频前端发展趋势

总体而言，5G时代，射频数量将大幅度增加，因此5G手机成本会进一步提升，

Qorvo公司高管曾指出，5G将给天线数量、射频前端模块价值量带来翻倍增长。以5G手机为例，单部手机的射频半导体用量达到25美金，相比4G手机近乎翻倍增长。其中滤波器从40个增加至70个，频带从15个增加至30个，接收机发射机滤波器从30个增加至75个，射频开关从10个增加至30个，载波聚合从5个增加至200个！

这是因为4G时代，智能手机采取的1发射2接收架构

图3  4G手机射频前端框图

而到了5G时代，独立组网的手机将采用2发射4接收的架构

图四  5G手机产品建议

图五 最新5G手机射频前端框图

陶镇表示仅此架构的改变就要多预计将新增4个收发模组，合计增加4到6颗，12到18颗滤波器，40到60颗电容。此外，“根据目前工信部给运营商划分的频谱来看，5G时代增加了n41 2.6GHz，n77 3.5GHz和n79 4.8GHz三个频段，所以需要增加三个射频前端模组，有人说中国移动获得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz段 160MHz 5G频段中的2.6GHz频段是技术不成熟频段，其实这是因为3.5GHz是全球核心频段，所以成熟度高，但其实中移动在LTE B41已经把产业界培育的很成熟了，大部分稍微升级下即可支持n41，我们Qorvo有支持n41的 射频前端，支持n41目前已经不落后于3.5GHz了，实际上，在去年11月初温哥华GTI研讨会上，我们第一次展示了基于2.5Ghz频谱的5G的射频模块QM 75041。”

图六 Qorvo n41射频前端模块

据悉，Qorvo展示的针对n41频段的射频前端模块集成了功率放大器、滤波器、开关、耦合器等。

此外，陶镇表示5G时代还需要额外的天线调节器来做天线隔离，这主要是因为频谱的翻倍，驱使你去使用更多的天线来做覆盖而引起的。这样的需求，也推动了天线阵列的应用、MIMO的诞生，给射频前端提出新的需求。MIMO技术的应用普及为天线带来巨大增量市场。预计到2020年，MIMO 64x8 将成为标准配置，即基站端采用64根天线，手机采用8根天线。

图七  5G手机天线设计

“到了5G时代，基站和手机都必须引入天线阵列，基站可以做到64×64，但手机受限于尺寸限制，只能做到4×4或者2×4，这就带来了相关射频的需求”，陶镇说。“来到MIMO方面，这个在4G时代就存在的技术到了5G则迎来了更刚性的需求。新的通信标准要求下行有4×4，上行也要翻倍，这也带来了射频器件的增加。”

图八  Qorvo n79射频前端模块

针对射频前端集成化趋势，陶镇表示几家领先手机厂商都采取的是射频高度集成的模式，但集成不是所有的都集成，针对覆盖低频的模块集成的是1到2个功放、滤波器或者双工器，针对中高频（1.7Hz到2.5GHz）或者高频模块，则集成了三个以上PA和几十个滤波器。

“对于中高频射频前端，需要集成BAW滤波器才能达到更好的性能。所以并不是所有厂商都可以做中高频的集成，因为受滤波器限制，另外是可生产能力的限制，因为中高端模块涉及到二三十颗功放、滤波器、开关等IC的晶圆，品质控制要求很高，不过模块化一定是未来旗舰机的方向。”他补充说，“Qorvo是一家产品很全的公司，功放、开关、滤波器等都做，像BAW、SAW，SOI、射频开关都有，做模块反而是Qorvo的优势。因为并不是所有的竞争对手都同时有上述器件研发能力和整合能力。”

他以n41为例指出Qorvo有n41的全频段滤波器，全频段PA，因此很容易实现集成方案。 

5G手机PA趋势

功率放大器（PA）是一部手机最关键的器件之一，它直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。手机里面PA的数量随着2G、3G、4G、5G逐渐增加。以PA模组为例，4G多模多频手机所需的PA芯片为5-7颗，预测5G手机内的PA芯片将达到16颗之多。

陶镇表示就工艺材料来说，目前砷化镓PA依然是主流，国内几家做PA的厂家也主要采用的是砷化镓工艺，虽然CMOS PA越来越成熟并有集成的优势但是因为参数性能的影响，它只适用于低端市场。

“其实Qorvo同时有CMOS工艺和砷化镓工艺，我们会区分产品线，有些产品CMOS工艺足够满足，就用CMOS工艺做了，我们大部分产品都是CMOS工艺去做的，一般CMOS工艺更多做2G，3G，针对4G 5G还有SOI工艺可以选择，然后是砷化镓，相对也少，都是做传统2G的这一块，2G的这块起，所以从4G的角度，不是未来的5G砷化镓。另外，砷化镓PA的TRP 值要优于CMOS工艺的，TRP全称Total Radiated Power是手机的总辐射功率。”他补充说。

在毫米波频段，氮化镓及InP的制造工艺在性能指标上均要强于砷化镓，5G直能手机会采用氮化镓PA吗？

对此，陶镇表示氮化镓有不同使用方式，Qorvo有氮化镓产品，目前已经在基础设施类产品中大量使用，未来5G基站中也会大量使用氮化镓产品，但目前氮化镓产品没后在手机中使用，“近期，两三年之内氮化镓不会用在手机，主要原因一是氮化镓产品成本比较高；二是氮化镓需要较高电压，基站都需要12V电压，手机最多到5V，所有氮化镓驱动是个问题，如果电压降低了，性能就弱化了，氮化镓需要在高电压下其优异性能才能表现出来，看以后6G、7G是否有可能用到吧。”他补充道。“不过氮化镓在基站端会有很多应用。”

他表示5G时代，PA会引入更多的技术（如包络跟踪）来满足5G功率需求，包络跟踪能够通过不断调整PA 电源电压以跟踪RF 包络的方式来优化效率。但包络跟踪器预计在5G 部署期间只支持最多60 MHz 带宽，而新的5G 频段（如n77 和n79）则需要支持高达100 MHz 带宽的单载波传输。为此，PA 将需要在平均功率跟踪(APT) 固定电压模式下运行，以实现宽带5G 传输，同时会降低效率。

5G手机滤波器发展趋势

目前，SAW、BAW滤波器是手机应用的主流滤波器，但5G新增频段对滤波器提出了新的需求，有望拉动BAW（体声波）滤波器的快速增长，这是因为SAW（声表面滤波器）适合的是400 MHz 至 2.7 GHz 频率范围射频滤波，而BAW（体声波滤波器）适合2GHz以上射频滤波。

图九  SAMBAW滤波器工艺有差异

陶镇表示通俗地理解SAW是一个是平面传递能量的滤波器，而BAW是一个垂直传递能量的滤波器，这两个滤波器都是基于声学工艺的滤波器，另外还有一种滤波器是陶瓷滤波器，它是基于电传输的滤波器，工作方式完全不同。声学滤波器的优势是尺寸可以做到很小，因此广泛用在手机内，而陶瓷滤波器尺寸不能很小。

图十  SAW滤波器（上）和BAW滤波器（下）的结构

陶镇表示5G时代引入了新的频谱3.5G和4.8GHz，BAW在这个频率段有优势，所以BAW滤波器会有大的增长，但是SAW和BAW都不能支持高带宽（例如600MHZ），不能支持全频段，Qorvo在不断改进工艺，希望未来在5G这两个频段，声学滤波器可以支持。

与 SAW 相比，BAW性能更好，但BAW所需的制造工艺步骤是 SAW 的10倍因此成本也更高，但是当频段越来越多，甚至开始使用载波聚合的时候，就必须得用BAW技术才能解决频段间的相互干扰问题。

据他介绍Qorvo作为全球领先的射频方案提供商，拥有广泛的 RF 滤波器产品组合，包括双工器、同向双工器、三工器、四工器和分立式 RF 滤波器，可以覆盖 400 MHz 至 2.7 GHz 的频率范围，包括蜂窝式 (2G/3G/4G/LTE)、GPS 和工业、科学及医学 (ISM) 频段，在大小、性能、成本和上市时间方面均处于市场领先水平。

图十一  Qorvo的5个BAW滤波器演示

陶镇表示作为全球领先射频企业，Qorvo致力于解决复杂的射频前端问题，如开发天线合路器把不同制式、不同频段合成到一根天线上以减少天线的数量，同时不断地做进一步集成以减少器件的数量。“在调谐器及开关方面，5G时代MEMS 开关应用会更多，因为未来5G的第三个场景——高可靠性零时延场景需要极快的开关切换速度。除此以外，系统架构方面还需要更多的天线分工器以及天线调谐功能。我们会跟运营商商密切沟通，解决5G时代射频需求。”他指出。