5G手機中的射頻前端設(shè)計解析

十年前，蜂窩設(shè)備的射頻 (RF) 設(shè)計開始發(fā)生根本性變化，這將為當(dāng)前射頻前端的復(fù)雜性鋪平道路 - 調(diào)制解調(diào)器和天線之間的智能手機部分。世界正在經(jīng)歷從多種支離破碎的 3G 全球蜂窩技術(shù)到統(tǒng)一的 4G 無線標(biāo)準(zhǔn)的重大轉(zhuǎn)變，該標(biāo)準(zhǔn)被稱為長期演進或 LTE。這是改善蜂窩通信以最佳利用無線電頻譜的漫長旅程的第一步。 4G LTE 的出現(xiàn)需要一套新的無線技術(shù)來利用可用的蜂窩無線電頻譜，并最有效地利用分散的頻譜資源。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，RF 工程師從根本上重新設(shè)計了 RF 前端的無線信令和傳輸架構(gòu)，增加了主要功能，例如載波聚合、高階調(diào)制和多輸入多輸出 (MIMO) 天線。通過結(jié)合越來越多的無線電頻譜來改善整體無線連接和性能，移動設(shè)備中的 RF 設(shè)計變得相當(dāng)復(fù)雜。這是三部分系列中的第一部分，旨在幫助理解 RF 前端設(shè)計之謎以及使 5G 智能手機成為可能的技術(shù)。它探討了為什么手機中的 RF 前端設(shè)計變得如此復(fù)雜，并回顧了 RF 前端架構(gòu)，說明了芯片組行業(yè)如何管理這種復(fù)雜性并持續(xù)改善用戶體驗。

射頻前端之謎

在 4G 之前，蜂窩無線電設(shè)計是一件非常簡單的事情。傳統(tǒng)的射頻前端僅支持少數(shù)不同的射頻，而這反過來只需要少量射頻組件和天線來支持下行鏈路和上行鏈路功能。但隨著行業(yè)開始 4G 的長期演進，很明顯，RF 前端設(shè)計必須能夠快速擴展，以適應(yīng)全球蜂窩應(yīng)用中可用的無線電頻率的增長。今天，在 4G 和 5G 手機中看到支持超過 20 個頻段以及多個天線的射頻前端設(shè)計并不罕見。與 3G 相比，4G 的初始復(fù)雜性在 RF 前端部分造成了幾何增長。隨著行業(yè)向 5G 過渡，RF 設(shè)計挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜，這給設(shè)備制造商提出了一項艱巨的任務(wù)，即阻止 RF 復(fù)雜性呈指數(shù)級增長。事實上，我們的研究表明，在智能手機的任何部分，射頻前端的物料清單 (BOM) 成本上升幅度最大。其他功能領(lǐng)域的成本和復(fù)雜性僅略有增加，而 RF 前端的成本和復(fù)雜性都增加了。

最新的 5G 射頻前端設(shè)計必須滿足更多的網(wǎng)絡(luò)要求，以支持新的、更寬的 5G 頻率帶寬，以及越來越多的 LTE 頻段，因為大多數(shù) 5G 網(wǎng)絡(luò)推出時使用的是非5G 的獨立實施。這意味著兩個不同的無線電同時處于活動狀態(tài)，一個 5G 和另一個 4G，具有獨特且獨立的射頻鏈。 5G 標(biāo)準(zhǔn)還有助于引入新的、以前未使用的頻譜，從 24 GHz 開始，通常稱為毫米波頻譜。這些頻段提供 1 GHz 以上的頻譜，從而實現(xiàn)超過 7 Gbps 的峰值無線數(shù)據(jù)速度。但是為了實現(xiàn)這些速度，設(shè)備設(shè)計犧牲了信號覆蓋范圍。毫米波 5G 的接收和傳播在實際應(yīng)用中更加困難，這迫使使用波束成形和波束控制等新型無線電技術(shù)來產(chǎn)生可用的毫米波 5G 連接。隨著 5G 增加了手機中無線電和 RF 組件的數(shù)量，創(chuàng)建支持三代蜂窩無線電技術(shù)的功能性 RF 前端變得更加困難。下表說明了 3G、4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)中支持的頻段數(shù)量的增加，這導(dǎo)致了 RF 復(fù)雜性的失控增長。對比過去 11 年來三星 Galaxy 系列的第一代設(shè)計，我們可以看到，每一代新的網(wǎng)絡(luò)都帶來了更多的支持 RF 頻段，增加了對 RF 前端的要求，以跟上增加的帶寬。這意味著手機制造商需要大量投資來設(shè)計功能更強大的射頻前端，控制成本膨脹并在設(shè)備上使用有限的空間。

一直以來，這些 RF 復(fù)雜性在產(chǎn)品文獻(xiàn)和消費者隱藏的 RF 設(shè)計挑戰(zhàn)中都被掩蓋了，因為這些復(fù)雜性會使產(chǎn)品信息變得混亂。智能手機用戶不需要或不想了解這種日益增加的復(fù)雜性；他們希望他們的手機可以在任何地方使用，無論他們住在哪里。

為什么要這么復(fù)雜？

為了實現(xiàn)一代又一代網(wǎng)絡(luò)和用戶體驗的數(shù)量級改進，需要更多的無線電頻譜。但令人不快的事實是，RF 前端設(shè)計無法隨著對電話無線電需求的增加而有效擴展。由于頻譜是一種稀缺資源，政府必須對射頻頻譜進行配給，從而造成當(dāng)今大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法滿足 5G 的預(yù)期需求。毫米波技術(shù)是一種解決方案，但它的傳播效果不佳，因此 RF 設(shè)計人員不能僅僅依靠它來解決頻譜緊縮問題。他們需要解決最廣泛的 RF 支持，并構(gòu)建有史以來引入消費設(shè)備的最強大的蜂窩無線電設(shè)計。從低于 6 GHz 到毫米波，現(xiàn)代無線電和天線設(shè)計必須使用和支持所有可用頻譜。并且由于頻譜持有不一致，頻分雙工和時分雙工功能必須結(jié)合在單個射頻前端設(shè)計中。此外，通過綁定不同頻率的頻譜來幫助增加虛擬帶寬管道的載波聚合增加了 RF 前端的要求和復(fù)雜性。

此外，無線局域網(wǎng)和 Wi-Fi 不斷發(fā)展的功能增加了另一層復(fù)雜性，因為蜂窩和 Wi-Fi 信號必須分開，否則會有大量 RF 干擾的風(fēng)險。最新的 Wi-Fi 6E 標(biāo)準(zhǔn)增加了 6 GHz 頻譜。因此，射頻前端必須具有先進的濾波技術(shù)，以避免射頻信號重疊。由于 5G 中 RF 需求呈指數(shù)級增長，智能手機 RF 前端設(shè)計變得如此復(fù)雜。今天的消費者期望制造商解決所有這些 RF 挑戰(zhàn)，但并不完全了解我們是如何達(dá)到這種復(fù)雜程度的。換句話說，如果要實現(xiàn) 5G 的承諾，就無法擺脫 RF 前端的復(fù)雜性。

現(xiàn)有 5G 手機中的射頻前端設(shè)計

今天的射頻挑戰(zhàn)表現(xiàn)在很多方面。領(lǐng)先旗艦設(shè)備中的物理天線數(shù)量從典型的 3 或 4 個顯著增加到 12 個以上——不包括毫米波天線模塊。下圖突出顯示了現(xiàn)代設(shè)計中所需的天線數(shù)量不斷增加，此外還需要結(jié)合毫米波天線。

從 4G 過渡到 5G，需要更多天線來支持 4x4 MIMO 天線并覆蓋從 600 MHz 到 7 GHz 的各種 sub-6 GHz 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頻率，減少物理天線的數(shù)量。雖然這很有幫助，但 5G 的非獨立實施需要數(shù)以萬計的載波聚合組合和毫米波頻譜的特殊規(guī)定，需要多個無線電鏈。這增加了 RF 前端的組件數(shù)量、成本和復(fù)雜性。5G 智能手機中 5G 射頻前端設(shè)計不斷增長和不斷發(fā)展的需求難以擺脫；行業(yè)能做的最好的事情就是管理這種復(fù)雜性。由于智能手機中的 RF 前端要應(yīng)對 RF 需求呈指數(shù)級增長的局面，因此它也被要求在設(shè)備中占用更少的空間。換句話說，它被困在巖石和堅硬的地方之間，試圖平衡這兩種相互沖突的需求。 ? 那么 5G 射頻前端如何在保持緊湊的同時變得更加強大呢？答案是通過電子集成。下面是一個前端模塊的圖像，它用作輸入信號的 RF 接收路徑或鏈。模塊有助于減小印刷電路板上電子元件的尺寸，而這在 5G 智能手機中的空間非常有限。

RF 前端從天線開始，到達(dá) RF 收發(fā)器，最后到達(dá)調(diào)制解調(diào)器。天線和調(diào)制解調(diào)器之間有更多的射頻技術(shù)在起作用。下圖試圖簡化領(lǐng)先 5G 設(shè)計中的許多射頻組件。對于這些部件的供應(yīng)商來說，5G 提供了一個擴大市場的黃金機會，因為 RF 前端內(nèi)容與增加的 RF 復(fù)雜性成比例地增長。

例如，射頻濾波器市場有望在 5G 射頻前端實現(xiàn)最高增長率，因為對更多射頻的支持意味著需要過濾更多射頻。博通、Qorvo、Skyworks Solutions、村田和高通等射頻部件制造商都將從這個不斷增長的市場中獲益。然而，在 5G 手機中提供這些 RF 前端組件是一回事，提供解決方案來馴服 RF 復(fù)雜性并使一切正常工作是完全不同的球賽。為滿足這一新興市場需求，傳統(tǒng)芯片制造商高通公司整合了一系列射頻組件和技術(shù)，為智能手機制造商提供經(jīng)過驗證的射頻調(diào)制解調(diào)器到天線解決方案。這種新穎的策略為設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)帶來了重大價值，因為并非所有制造商都希望投入大量 RF 工程資源來設(shè)計自己的 RF 前端。

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2021-08-31