5G將至射頻前端即將騰飛

5G終端商用芯片很有可能會(huì )在2019年大量推出,但是各大廠(chǎng)商究竟是僅僅支持sub-6GHz還是加入毫米波還取決于各自的研發(fā)進(jìn)度。

在過(guò)去幾年中,通信廠(chǎng)商和硬件制造商都在積極布局5G產(chǎn)品,例如針對毫米波、MIMO、載波聚合等一系列軟硬件應用的開(kāi)發(fā)。

當前最新的5G硬件都是在配合相關(guān)標準,例如3GPPR15。雖然5G第一階段規范和更新還在進(jìn)行中,但是可以通過(guò)軟件更新的方式來(lái)滿(mǎn)足要求。

目前已經(jīng)推出的5G模組和收發(fā)機可以進(jìn)行軟件升級,并且可以提供吞吐量處理功能,在當前毫米波還沒(méi)有正式使用的情況下,依然可以提升潛在帶寬。

目前很多硬件制造商和通信公司都在積極推進(jìn)5G試驗和部署,這種情況在2019年將會(huì )持續。在5G標準正式完成前,各個(gè)廠(chǎng)商通過(guò)使用這類(lèi)可以修改的NSA5GNR技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足5G需求。對于硬件和核心網(wǎng)絡(luò )來(lái)講,為了滿(mǎn)足未來(lái)5G標準最終版本,可編程能力和靈活性顯得至關(guān)重要。

這些先行的5G芯片可以支持2Gbps數據速度和28GHz毫米波,以及NSA5GNR、波束賦形、天線(xiàn)切換、3D頻率規劃工具和虛擬化RAN等。

無(wú)論是器件還是網(wǎng)絡(luò )硬件制造商、運營(yíng)商以及測試廠(chǎng)商,都在用模擬終端進(jìn)行5GNR測試。5G終端商用芯片很有可能會(huì )在2019年大量推出,但是各大廠(chǎng)商究竟是僅僅支持sub-6GHz還是加入毫米波還取決于各自的研發(fā)進(jìn)度。

射頻前端模塊簡(jiǎn)介

射頻前端即RadioFrequencyFront-End,簡(jiǎn)稱(chēng)RFFE,是天線(xiàn)和射頻收發(fā)機之間的射頻電路部分。通俗的理解方式就是靠近天線(xiàn)部分的設備就是射頻前端。

5G標準正在如火如荼的推進(jìn),根據Qorvo預測,在未來(lái)10年內,5G終端將會(huì )成為手機產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的部分。

根據StrategyAnalytics預測,5G終端的出貨量將會(huì )從2019年的200萬(wàn)部增長(cháng)到2025年的15億部,而且根據QualcommTechnologies調查顯示,由于數據速度的提高,有50%的消費者對5G手機表示有意愿購買(mǎi)。5G標準至今沒(méi)有最終完成,對于RF設計來(lái)說(shuō)還存在很多指標上的不確定性,例如功率回退電平,區域頻帶組合,上行鏈路MIMO和補充上行鏈路(SUL)。

射頻前端市場(chǎng)

RF前端(RFFE)模塊市場(chǎng)將受到新的5G標準的高度影響。這主要來(lái)自于5G帶來(lái)的射頻模塊復雜度的提升,用量的大大增加。尤其是MIMO和CA技術(shù)在5G中的應用將會(huì )拉動(dòng)射頻前端器件的需求。據YoleDéveloppement稱(chēng),預計2023年RFFE的全球市場(chǎng)規模將達到352億美元。

射頻前端除了用在各類(lèi)型便攜設備中,還應用在WiFi設施、IoT、智能電網(wǎng)、可穿戴設備等,而其中三五族化合物半導體會(huì )占據RF市場(chǎng)的核心。

天線(xiàn)調諧器

天線(xiàn)調諧器是5G射頻前端中重要的控制器件,可以用來(lái)改善5G帶寬拓展帶來(lái)的匹配和效率降低的問(wèn)題。

除此之外,天線(xiàn)調諧器還能夠簡(jiǎn)化OEM廠(chǎng)商的設計過(guò)程,提高設計自由度。根據IHSMarkit預測,中高端天線(xiàn)調諧器在2016到2021年將會(huì )達到4%的年復合增長(cháng)率。

濾波器

濾波器一直是射頻信號處理的重要部件,并且隨著(zhù)通信時(shí)代的更迭用量在不斷增加。3G網(wǎng)絡(luò )的通信頻段有5個(gè),而根據3GPP的更新,4GLTE已經(jīng)增加到了52個(gè)波段,5G的標準還沒(méi)有最終確定,但是5G的加入會(huì )讓已經(jīng)很密集的頻譜更加擁擠。

雖然對于單個(gè)手機來(lái)說(shuō)要做到支持全球所有頻段很不實(shí)際,但是想要做到國際通用的功能豐富的機型,就需要在2G、3G和4G的發(fā)射和接收路徑上做到多達15個(gè)頻段的支持,同時(shí)也要支持WiFi、藍牙和全球導航衛星系統(GNSS)。像這樣的4GLTE手機就需要30到40個(gè)濾波器。在5G時(shí)代,這個(gè)數字將會(huì )增加到60個(gè)以上。

濾波器的作用是通過(guò)特定頻率的信號,讓其他頻率的信號受阻。按照可以通過(guò)信號的類(lèi)型可以分為四種類(lèi)型:低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及帶阻濾波器。帶阻濾波器也叫做陷阻濾波器。

5G對濾波器帶來(lái)的影響體現在兩方面。

首先是頻率的變化,sub-6GHz中的3.5-6.0GHz更有可能采用BAW和溫度補償型TC-BAW濾波器;而毫米波濾波器將會(huì )使用基于EM技術(shù)的高性能的波導和腔體濾波器。其次是用量的提升,RF路徑的增加大大刺激了濾波器用量的提升,預計在5G手機中至少有60個(gè)。

根據Yole的預測,全球濾波器市場(chǎng)將會(huì )從2017年的150億美元增長(cháng)到2023年的225億美元,年復合增長(cháng)率達到19%。

射頻開(kāi)關(guān)

射頻開(kāi)關(guān)的作用是將多路射頻信號中的任一路或幾路通過(guò)控制邏輯連通,以實(shí)現不同信號路徑的切換,包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等,以達到共用天線(xiàn)、節省終端產(chǎn)品成本的目的。

射頻開(kāi)關(guān)的主要產(chǎn)品種類(lèi)有移動(dòng)通信傳導開(kāi)關(guān)、Wi-Fi開(kāi)關(guān)、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)等,廣泛應用于智能手機等移動(dòng)智能終端。智能手機可能包含10多個(gè)RF開(kāi)關(guān)設備。

射頻開(kāi)關(guān)在5G要求下既要滿(mǎn)足高功率高頻率要求,也要配合更加復雜的射頻信號路徑進(jìn)行結構性提升。射頻開(kāi)關(guān)可能會(huì )采用化合物半導體工藝如GaN、GaAs工藝等,或繼續沿用RFSOI工藝。根據QYRElectronicsResearchCenter預計,到2020年射頻開(kāi)關(guān)市場(chǎng)會(huì )達到19.01億美元。

目前RF開(kāi)關(guān)的主要市場(chǎng)被海外公司占領(lǐng),國內的RF開(kāi)關(guān)技術(shù)還有待提高,國產(chǎn)化趨勢可以期待。

放大器

功率放大器方面,寬帶和高功率也使得原來(lái)的4GLTE中的功率放大器不再滿(mǎn)足要求。包絡(luò )追蹤技術(shù)需要進(jìn)一步加強,或者采用平均功率追蹤技術(shù),但是也會(huì )產(chǎn)生相應的功率放大器效率問(wèn)題。

4x4MIMO上行鏈路會(huì )增加功率放大器的使用量,在5G時(shí)代StrategyAnalytics預測稱(chēng)手機內的PA或多達16顆之多。根據Marketandmarkets預測,功率放大器市場(chǎng)預計將從2018年的214億美元增長(cháng)到2023年的306億美元,復合年增長(cháng)率達到7.4%。

5G時(shí)代,智能手機射頻前端需要處理的頻段數量大幅增加,所需元器件數量隨之增加。另外,高頻段信號對濾波器、PA等射頻前端元器件性能的要求也更高,這些導致了射頻前端設計復雜度的提升,也帶來(lái)了射頻前端價(jià)值量的提升,產(chǎn)業(yè)鏈有望迎來(lái)新的發(fā)展機遇。