“預(yù)計(jì) 5G 手機(jī)將成為今后十年智能手機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。”

5G 標(biāo)準(zhǔn)的加速發(fā)展使移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商能夠推進(jìn)其 5G 部署計(jì)劃，其中一些早期部署將于明年完成。根據(jù)Strategy Analytics 預(yù)測(cè)，一旦開始部署，5G 手機(jī)就可能成為今后十年智能手機(jī)行業(yè)增長(zhǎng)最快速的領(lǐng)域， 出貨量將從 2019 年的 200 萬臺(tái)增至 2025 年的 15 億臺(tái)。最近的一項(xiàng)調(diào)查顯示，差不多 50% 的消費(fèi)者可能選擇 5G 智能手機(jī)作為其下一部移動(dòng)設(shè)備，部分原因在于數(shù)據(jù)速率預(yù)計(jì)將會(huì)得到提高。

然而，5G 發(fā)展狂潮給手機(jī)設(shè)計(jì)帶來了巨大的 RF 挑戰(zhàn)。由于標(biāo)準(zhǔn)制定的時(shí)間線比較緊迫，基本 RF 規(guī)格的關(guān)鍵細(xì)節(jié)仍存在不確定性，如功率回退水平、區(qū)域頻段組合、上行 MIMO 和補(bǔ)充上行鏈路 (SUL)。

由于運(yùn)營(yíng)商堅(jiān)持主張適時(shí)在手機(jī)中納入 5G 內(nèi)容，以完成其網(wǎng)絡(luò)部署計(jì)劃，所以即使在規(guī)范仍在繼續(xù)發(fā)展的當(dāng)下， 智能手機(jī)制造商也面臨著制定實(shí)施戰(zhàn)略的壓力，以滿足具有挑戰(zhàn)性的 5G RF 要求。這些要求包括寬度前所未有的帶寬、高峰均功率比、非常高的功率放大器 (PA) 線性度以及廣泛的載波聚合驅(qū)動(dòng)型頻率擁塞。

了解真實(shí)情況

5G 最終將支持眾多應(yīng)用。然而，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的初期實(shí)施以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (eMBB) 為重點(diǎn)，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率比當(dāng)今 4G 數(shù)據(jù)速率提高多達(dá) 20 倍。

實(shí)現(xiàn)真正的 5G 技術(shù)需要在智能手機(jī)和 5G 新無線電 (NR) 基礎(chǔ)設(shè)施中采用新硬件，而不僅僅是提高 4G 數(shù)據(jù)速率并將其重塑為 5G，就如同之前 3G 到 4G 的技術(shù)過渡。

初始的 5G NR 規(guī)范集已于 2017 年 12 月交付使用，5G 階段 1（3GPP 版本 15）對(duì)其進(jìn)行了定義。這些規(guī)范側(cè)重于利用非獨(dú)立 (NSA) 5G NR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)寬帶部署，即可用于大多數(shù)早期 5G 網(wǎng)絡(luò)部署（圖 1）的技術(shù)。通過利用LTE 錨頻段進(jìn)行控制以及 5G NR 頻段提高數(shù)據(jù)速率，NSA 可用來加快 5G 部署。利用該方法，運(yùn)營(yíng)商只需擴(kuò)展其現(xiàn)有的 LTE 網(wǎng)絡(luò)即可快速實(shí)現(xiàn) 5G 速度，且無需構(gòu)建全新的 5G 核心網(wǎng)絡(luò)。5G 獨(dú)立 (SA) 規(guī)范消除了 LTE 錨的必要性，并將需要擴(kuò)建一個(gè)全 5G 網(wǎng)絡(luò)，目前定于 1 年后（2018 年 12 月）交付使用。

圖 1. 從 LTE 到 5G 部署的逐步過渡。

版本 15 NSA 規(guī)范整合了開始設(shè)計(jì) 5G 智能手機(jī)所需的眾多 5G 規(guī)范，包括新頻段、載波聚合 (CA) 組合以及關(guān)鍵的RF 特性（如波形、調(diào)制和子載波間隔）。

正如預(yù)期那樣，規(guī)范定義了兩個(gè)廣泛的頻譜范圍，即 sub-6 GHz (FR1) 和毫米波 (FR2) 頻率。它們包括第一組新5G FR1 頻段（n77、n78 和 n79），將用于許多全球 5G 部署（圖 2）。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，許多 LTE 頻段已被指定用于重新分配為 5G 頻段，但只有一小部分有望在近期使用，包括 n41、n71、n28 和 n66。版本 15 規(guī)范還包括 600 多個(gè)新的 CA 組合。

圖 2. 5G FR1 頻段（n77、n78 和 n79）的新區(qū)域分配

5G 規(guī)范定義了兩個(gè)可選波形：CP-OFDM 和 DFT-s-OFDM。CP-OFDM 在資源模塊中提供了很高的頻譜封裝效率（高達(dá) 98%），并為 MIMO 提供了良好的支持。因此，當(dāng)運(yùn)營(yíng)商優(yōu)先考慮盡可能提高網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)（例如在密集城市環(huán)境中），可能會(huì)使用該波形。DFT-s-OFDM 是用于 LTE 上行鏈路的同一波形，其頻譜封裝效率更低，但范圍更廣（表 1）。

表 1. 關(guān)鍵的 5G規(guī)范

規(guī)范還確認(rèn)，盡管數(shù)據(jù)速率得到提高，但 5G 移動(dòng)寬帶的時(shí)間排程就如同 LTE，且對(duì)核心 RF 實(shí)施不會(huì)產(chǎn)生任何額外影響。然而，5G 技術(shù)大大降低了延遲，因此天線交換和天線調(diào)諧的可用時(shí)間更少。這可能導(dǎo)致需要使用在某些應(yīng)用中速度比 4G 快 10 倍的開關(guān)技術(shù)。

4G 到 5G 過渡過程中的另一個(gè)重大變化就是手機(jī)必須支持寬度前所未有的帶寬。提高帶寬是 5G 的基本宗旨：是實(shí)現(xiàn)以全新 5G 頻段為目標(biāo)的更高數(shù)據(jù)速率的關(guān)鍵。單載波帶寬可高達(dá) 100 MHz，即 LTE 最高帶寬 20 MHz 的 5 倍（圖 3），且在 FR1 頻率范圍內(nèi)，可存在 2 個(gè)上行鏈路和 4 個(gè)下行鏈路載波，以分別實(shí)現(xiàn) 200 MHz 和 400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所面臨的挑戰(zhàn)預(yù)計(jì)將影響整個(gè) RF 子系統(tǒng)，這樣即使是最具創(chuàng)新精神的 RF 公司也要提高標(biāo)準(zhǔn)。

圖 3. 最大信道帶寬比較：4G LTE 與 5G NR

手機(jī)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

智能手機(jī)制造商面臨的挑戰(zhàn)就是，如何對(duì)已經(jīng)擁有大量 4G LTE 功能的手機(jī)快速增加 5G 支持功能，以及如何在不延遲產(chǎn)品發(fā)布周期或在不影響達(dá)成全球發(fā)貨量目標(biāo)的情況下實(shí)現(xiàn)這一功能增加。

5G NSA 雙連接性

盡管 5G NSA 是加快 5G 部署的關(guān)鍵，但也大大增加了 RF 復(fù)雜性，因?yàn)樗笸瑫r(shí)實(shí)現(xiàn) 4G LTE 和 5G 連接性。

在許多情況下，運(yùn)營(yíng)商預(yù)計(jì)將整合 4G FDD-LTE 頻段和 5G 頻段。NSA 規(guī)范允許手機(jī)在一個(gè)或多個(gè) LTE 頻段中傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)在一個(gè) 5G 頻段中接收數(shù)據(jù)。這就大大增加了傳輸頻率諧波劣化接收器靈敏度的可能性。

例如，將 LTE 頻段 1、3、7 和 20 與 5G 頻段 n78 整合在一起。頻段 n78 比任何 LTE 頻段占用的頻率范圍都更高， 且極其寬 (3.3-3.8 GHz)。因此，存在一個(gè)更大的威脅，即在其中一個(gè) LTE 錨頻段上傳輸數(shù)據(jù)生成的諧波頻率將落入 n78 頻率范圍，而如果頻率衰減不足，則可能導(dǎo)致接收器靈敏度劣化。然而，實(shí)現(xiàn)必要的 CA 衰減所需的濾波功能可能會(huì)導(dǎo)致 RFFE 插入損耗增加，從而提高 PA 輸出功率要求，降低系統(tǒng)整體效率。

此外，雙連接性還會(huì)帶來其他挑戰(zhàn)。例如，在手機(jī)中容納兩個(gè)主手機(jī)天線將是可取的方案。在 LTE 和 5G 頻段中同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸還會(huì)產(chǎn)生電源管理問題，且需要使用一個(gè)占用更多空間的附加 DC 轉(zhuǎn)換器，從而沒有任何空間進(jìn)一步擴(kuò)展天線容量。

圖 4 表明了這一趨勢(shì)，即如果關(guān)鍵 RF 功能組增加，典型旗艦智能手機(jī)中可用的天線容量和天線數(shù)量就會(huì)減少。如圖所示，即使采用當(dāng)今一些 18:9 屏幕高寬比智能手機(jī)的較大外形尺寸，可用天線容量也會(huì)縮減，直至限制添加更多天線的能力。

圖 4. 隨著手機(jī) RF 內(nèi)容的增加，添加天線的能力將受限

4x4 MIMO

“強(qiáng)制性的 4X4 MIMO 影響較多?！?/p>

5G MIMO 要求使這個(gè)問題更加嚴(yán)重。與 4G LTE 不同的是，在 MIMO 為可選的情況下，5G 手機(jī)必須在 1 GHz 以上頻段的下行鏈路中支持 4x4 MIMO。這不僅適用于新頻段（如 n77），還適用于重新分配的 LTE 頻段。例如，如果頻段 3 被重新分給 5G NR，從而變成 n3，那么手機(jī)現(xiàn)在就必須遵守 5G NR 規(guī)范。因此，LTE 接收分集要求（即兩個(gè)接收路徑）立即成為 4 個(gè)接收路徑的要求。

對(duì)于一些已經(jīng)支持可選 4x4 LTE MIMO 的手機(jī)設(shè)計(jì)，這種改變并不明顯。然而，對(duì)于其他許多手機(jī)，這種改變將需要大幅增加 RF 內(nèi)容、信號(hào)路由復(fù)雜性和天線帶寬?？偟膩碚f，這意味著在已分配給 RF 前端的擁擠空間內(nèi)擠入更多內(nèi)容，因?yàn)樾枰?4 根天線和 4 個(gè)獨(dú)立的 RF 通道。所有這些甚至都沒有考慮 2x2 上行鏈路 MIMO 的影響，如針對(duì)n77、n78、n79 和 n41 的規(guī)定。

這種架構(gòu)性轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生許多影響。其中一個(gè)最明顯且最至關(guān)重要的影響就是，天線調(diào)諧和天線轉(zhuǎn)換開關(guān)將變得更加重要。當(dāng)今的智能手機(jī)已經(jīng)需要依賴天線調(diào)諧來提高輻射效率，但是天線調(diào)諧將在向 5G 的過渡過程中發(fā)揮更大的作用，同時(shí)通過使每根天線能夠高效地支持更寬的頻率范圍，幫助智能手機(jī)制造商將天線數(shù)量保持在可承受范圍內(nèi)。

根據(jù)相關(guān)的注解，如今，雙工信號(hào)已經(jīng)很常見（例如，低頻段和中頻段 / 高頻段信號(hào)），但是 5G 使信號(hào)路由復(fù)雜性提升到一個(gè)全新水平。鑒于天線的最大數(shù)量開始趨向穩(wěn)定（如圖 4 所示），超高頻段頻率和雙連接性上行鏈路要求將需要對(duì)信號(hào)路由至天線的方式做出實(shí)質(zhì)性改變。高性能天線轉(zhuǎn)換開關(guān)能夠最大化信號(hào)連接的數(shù)量，同時(shí)符合嚴(yán)格的 CA 抑制要求，并維持低插入損耗，因此將迅速取代簡(jiǎn)單的雙信器。

所有這個(gè)新 RF 內(nèi)容的另一個(gè)影響就是，雖然功能性不斷增加，但可用于RF 實(shí)施的面積卻不然。因此，該趨勢(shì)可能會(huì)加速集成式 RF 前端模塊的部署。整合了 PA、開關(guān)、濾波器和 LNA 的高度集成模塊（如 Qorvo 的RF Fusion?）需要更少的空間，同時(shí)還可減少損耗，支持載波聚合。

寬度前所未有的帶寬和新波形

用于實(shí)現(xiàn) 5G 高數(shù)據(jù)速率的寬度前所未有的帶寬和新波形為 RF 功率輸出、電源管理和線性度帶來了巨大挑戰(zhàn)。

當(dāng)今的旗艦 LTE 手機(jī)通常都使用包絡(luò)跟蹤 (ET) 和 PA 來最小化功耗。ET 通過不斷調(diào)整 PA 電源電壓以跟蹤 RF 包絡(luò)的方式來優(yōu)化效率。然而，包絡(luò)跟蹤器預(yù)計(jì)在 5G 部署期間只支持最多 60 MHz 帶寬，而新 5G 頻段（如 n77 和n79）將支持高達(dá) 100 MHz 帶寬的單載波傳輸。因此，PA 將需要在平均功率跟蹤 (APT) 固定電壓模式下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)寬帶 5G 傳輸，同時(shí)會(huì)降低效率。

表 1 中高亮顯示的新 5G 波形增加了挑戰(zhàn)性。將更高的 CP-OFDM 高峰均功率比 (PAR) 與海量信道帶寬組合要求在

5G 中增加 PA 回退值，以避免超出規(guī)定限值，并保持高品質(zhì)數(shù)據(jù)鏈路所需的線性度。結(jié)果，傳輸鏈效率有可能會(huì)下降，且 PA 設(shè)計(jì)可能需要滿足極具挑戰(zhàn)性的高線性功率要求。

這好像并不是那么復(fù)雜，RF 前端 (RFFE) 可能還需要支持 LTE，以便在已將 FR1 頻率用于 LTE 的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)向后兼容性。為最大限度地延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，手機(jī)制造商希望盡可能地使用 ET，這意味著使用 ET 實(shí)現(xiàn) LTE 傳輸和最高60 MHz 寬頻率的 5G 信號(hào)。因此，PA 必須在 ET 模式下實(shí)現(xiàn)高飽和效率，在 APT 模式下實(shí)現(xiàn)高線性效率。平衡高帶寬 APT 模式和低帶寬 ET 模式之間的 PA 運(yùn)行給 RFFE 供應(yīng)商帶來了額外的復(fù)雜性挑戰(zhàn)。此外，我們需要高級(jí)電源管理來實(shí)現(xiàn) ET 和 APT 模式之間的切換。

LTE 頻段重新分配的復(fù)雜性

重新分配 LTE 頻段以滿足 5G NR 規(guī)范要求會(huì)產(chǎn)生額外的復(fù)雜性。在未來數(shù)年內(nèi)，許多現(xiàn)有的 3G/4G 頻譜分配將逐步被重新分配為 5G NR 頻段。在每個(gè)市場(chǎng)完成這一過渡之前，智能手機(jī) PA 將需要能夠在每個(gè)所述頻段中高效地支持 4G 和 5G 傳輸。預(yù)計(jì)，在所有頻段上完全實(shí)現(xiàn)至 5G NR 的過渡可能需要十年或更長(zhǎng)時(shí)間。在該頻率范圍內(nèi)同時(shí)支持 LTE 和 5G 部署的需求給 RFFE 帶來了額外的復(fù)雜性。

例如，頻段 41 是最初被重新分配的一組頻段之一（重新分配為 n41）。作為 LTE 頻段使用時(shí)，技術(shù)理論上最大的帶寬為 60 MHz（通過聚合 3 個(gè) 20 MHz 載波實(shí)現(xiàn)），且 ET 可用于節(jié)省電力。作為 5G 頻段使用時(shí)，單載波帶寬最高可達(dá) 100 MHz，同時(shí)要求 PA 在 APT 模式下運(yùn)行；信號(hào)帶寬的增長(zhǎng)對(duì) RF 濾波器設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生影響。

此外，某些情況下，每個(gè)信道帶寬分配的資源模塊 (RB) 數(shù)量應(yīng)作為 4G 至 5G 重新分配過渡的組成部分進(jìn)行審查。許多 RB 限值都是幾年前最初創(chuàng)建 LTE 規(guī)范時(shí)確定的；從那時(shí)起，技術(shù)和知識(shí)已經(jīng)發(fā)展到仍有改進(jìn)空間的程度。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)這些改進(jìn)空間非常感興趣，因?yàn)樗鼈兛梢蕴岣哳l譜使用效率。對(duì)于手機(jī) OEM 和 RF 前端供應(yīng)商來說， 這將復(fù)雜性提升到了另一個(gè)層次，因?yàn)?RF 鏈可能需要以未包含在其最初設(shè)計(jì)中的方式運(yùn)行。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

“如同在之前的技術(shù)過渡過程中，解決復(fù)雜的 5G 挑戰(zhàn)將需要?jiǎng)?chuàng)新型 RF 解決方案。”

由于標(biāo)準(zhǔn)的加速發(fā)展以及部署計(jì)劃的激進(jìn)，5G 的發(fā)展速度超過了最初預(yù)期，從而增加了智能手機(jī)制造商的壓力，使其不得不快速調(diào)整手機(jī)以支持 5G。新標(biāo)準(zhǔn)帶來了史無前例的 RF 挑戰(zhàn)，而盡管這些規(guī)范仍在繼續(xù)發(fā)展，但仍必須利用現(xiàn)有的系統(tǒng)知識(shí)和專業(yè)技能來估計(jì)對(duì) RF 設(shè)計(jì)的影響。另外，由于智能手機(jī)外形尺寸的限制，移動(dòng)行業(yè)面臨著一系列前所未有的挑戰(zhàn)。如同在之前的技術(shù)過渡過程中，解決復(fù)雜的 5G 挑戰(zhàn)需要采用創(chuàng)新型 RF 解決方案。RF 供應(yīng)商必須提高關(guān)鍵領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，如 PA 設(shè)計(jì)、RFFE 模塊集成、天線調(diào)諧和天線轉(zhuǎn)換開關(guān)。在幫助手機(jī) OEM 按時(shí)發(fā)布已成為消費(fèi)者生活必需品的以數(shù)據(jù)為中心的移動(dòng)設(shè)備方面，這些核心的5G 功能將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。