拥抱5G曙光 突破射频前端核心技术壁垒为当务之急

今年是5G技术奠基的一年，在这一年当中关于5G的众多标准纷纷确立，包括频段、5G NR（5G新空口）、SA（独立组网）、NSA（非独立组网）等，都为5G落地商业化铺平了道路，为5G技术的发展进程加速。同时与4G及前几代通讯技术相比，由于频段更广、峰均比更大、传输速率更快等因素，都对5G射频前端提出了更高的要求。

射频前端（RFFE）通常由功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、开关、双工器、滤波器和其他射频器件组成，是智能手机的射频收发器和天线之间的功能区域。本质上射频器件属于半导体器件，在4G投资峰期过后，射频器件厂商经历了成长性衰退，同时自2014年起，收购兼并在射频器件厂商中持续进行。

随着5G技术的不断成熟，新一轮的射频器件需求大增，促使整个行业加速发展。同时针对5G的新特性，射频前端器件需要重新设计，这不仅是一个挑战，也是众多射频前端器件厂商收获果实的机会。

5G天线数量增多致使成本高企 解决方案从合并着手

5G技术对射频前端所带来的挑战是多方面的，从目前的无线应用状态来看，5G以下的频段已拥挤不堪，而高频段的5G资源也将成为未来厂商们竞相追逐的目标，同时高频段也带来了新的通信波段，即毫米波。由于手机天线尺寸与波长为正相关，可以得出相应天线尺寸在毫米波时代将变得更小，因此理论上设备中可以集成更多的天线单元，但这些天线单元需要用同等数量的射频连接线与之相连，这意味着通路上射频前端器件用量会急剧增多。在一方面需要用这么多的天线来保证通信质量及稳定性，另一方面，增多的射频器件也会进一步拉高成本。如何降低成本，让射频天线更多的运用到手机当中，成为许多厂商思考的问题。

“基站和终端设备/智能手机的天线数量将随着5G的发展而增加。天线数量增加时，每个天线元件的尺寸随频率的增加而减小，从而使阵列设计的集成度更高。基站和智能手机/终端设备的设计均采用高度集成的天线和数量最少的连接器，同时支持数字和混合波束成形技术。”MACOM技术、射频功率工程和应用领域的杰出研究员WalterHoncharenko在接受《华强电子》记者采访时表示：“通过开发集成组件和阵列，可以把连接器的数量减至最低，这可以降低成本并减少损耗，进而延长电池寿命并减轻重量。在构建多元件阵列方面，MACOM拥有丰富的相控阵列设计经验以及生产管理和器件成本控制经验。目前，MACOM 正在运用其专业技术为客户提供工程支持，在射频电路和天线阵列之间建设低成本、低损耗的互联电路。”

Qorvo移动事业部应用工程师高级经理Anson Zhang对记者表示：“5G会用到4x4 MIMO， 也就是每一个5G的频段都要用到4根天线。这首先是一个天线能不能放得下的问题，其次是成本增加的问题。Qorvo致力于解决复杂的射频前端问题，比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。”

紫光展锐高级市场经理贾智博则表示可以从供应链、架构及制作工艺方面着手，他认为：“射频前端从2G到5G手机上的比重在不断增加，这是客观现实。从我们既有的经验来看，成本控制是系统性的，首先要在保证质量的前提下，对供应链进行科学的管控；其次是通过架构创新、产品升级、工艺技术提升来改善成本结构。”

无疑，在5G更高频段中，由于所对应天线尺寸的相对缩小，可以把足够多的天线塞入设备当中以保证通信的稳定可靠性，把多根天线进行合成，减少天线连接器，建立低成本、低损耗的互联电路，同时对供应链的优化，对架构以及产品、工艺技术的升级都可以有效改善成本结构。

布板面积趋紧 集成化方案成发展方向

天线的不断增多固然能够保证5G信号的稳定接收，但这也带来了一个矛盾，持续增加的射频前端数量和PCB板可用面积趋紧之间的矛盾，这促使了射频前端模块组化的发展。以三星手机为例，从历代三星手机的拆解中就可以发现，手机内部射频元件密度不断上升，但射频区域占PCB板的面积却持续缩减。

面对当前产生的矛盾，Anson Zhang表示：“在5G时代，布板面积确实是一个很大的挑战。模块化的实现将会是5G射频前端的发展趋势，集成包括功率放大器，滤波器，射频开关，低噪声放大器等等。不断缩小的单个晶圆尺寸，包括功率放大器和滤波器，以及晶圆级封装技术都将推动高集成模块化的设计。Qorvo一直致力于射频前端的模块化发展并不断推动各个功能模块的集成，无论是技术和产品都一直走在前列。Qorvo拥有功放、滤波器、开关等所有的工艺和技术，这也为集成方案打下了非常扎实的基础。”

技术的发展有时是趋同的，MACOM对于此矛盾的解决方案与Qorvo保持一致，Walter Honcharenko认为：“MACOM敏锐地意识到5G基站给硬件设计人员带来了规格限制的挑战。在设计射频前端时，必须考虑有限的PCB封装、散热、功率和重量目标等因素。这些限制的本质将促使行业转向更高效、集成度更高的小尺寸模块发展。MACOM拥有广泛的器件产品组合，均可集成到各频段模块中。MACOM为某些频段和用例提供定制设计服务，同时也供应其他标准类模块产品。”

高通是通过提供集成化的射频模组，来解决目前天线与布局之间的困境，Qualcomm Incorporated总裁克里斯蒂安诺·阿蒙表示：“我们致力于让OEM厂商在打造5G智能手机的外形方案时，拥有更广阔的想象空间和设计自由，而这正通过Qualcomm Technologies在5G新空口毫米波模组小型化方面的突破性创新得以实现。最新推出的毫米波天线模组，比2018年7月发布的首批QTM052毫米波天线模组小25%，旨在满足计划在2019年推出5G新空口智能手机和移动终端的制造商对于终端尺寸的严苛要求。借助这些更小型的天线模组，OEM厂商可以更从容地设计天线布局，更自如、灵活地打造他们的5G毫米波产品。”

集成化成为目前大多数厂商解决设备内部空间与天线数量增多矛盾的技术发展方向，把众多射频器件放在一起形成射频模组也是未来主流的方案，同时射频器件集成模块化也带来了器件的需求数量和复杂程度提升，这也带动射频前端器件市场快速增长。

从设计及架构出发 解决LTE与5G共存问题

当然，5G为射频前端所带来的挑战远不止于此，比如在NSA中，通信的核心网络为LTE，即语音通信及控制层都在LTE上，但数据却在5G NR当中运行，这可能会对整个网络形成干扰，这个问题也成为5G技术商业化的阻碍。

对于如何解决干扰问题，Anson Zhang认为：“首先从器件本身来看要选择线性度较好的器件，以减少杂散及谐波的产生从而减少干扰；其次从射频前端架构上考虑，可以把4G和5G分成不同的天线，通过不同天线间的隔离减少干扰。”

与Qorvo类似的是，紫光展锐的解决方案与其大致相同，贾智博认为：“紫光展锐会在硬件方面，选用合适的滤波器合作伙伴；另外我们会和运营商，平台商加强沟通，通过频带和信道隔离来解决。”

对此，MACOM通过广泛测试来部署高可靠性组件以减少干扰，Walter Honcharenko表示：“在近期的NSA部署中，5G NR和LTE的互操作性将高度依赖于无线电性能和天线基础设施。5G NR和LTE核心网的数据正在融合，但并置站点的干扰问题是由5G NR和LTE的无线电和射频设备负责管理的。MACOM在与客户的合作过程中敏锐地意识到协同定位和共存要求，并且对其组件进行了广泛测试，以满足3GPP兼容型无线电硬件设计、生产和部署所需的性能要求。鉴于即将部署的无线电组件将会在未来几年持续使用，无线电设备和组件必须具备长期可靠性。并且，高可靠性组件能够把性能退化的可能性最小化（性能退化可能加深干扰程度）。”

同时，LTE与5G不仅可能会产生信号干扰问题，由于LTE的最高只有20MHz，而5G的单个信道就可以达到100MHz，甚至毫米波可以高达400MHz。带宽的限制也制约着5G技术的普及，对于解决带宽不匹配的问题，各个厂商都有自己的看法。

贾智博表示：“紫光展锐会通过技术创新，研发出更好、更先进的射频器件。通过研发来做出兼容100M和20M的产品。”显然，紫光展锐目前并没有成熟的解决方案来解决带宽不匹配的问题，但从研发势头来看，后续可以期待紫光展锐在该方向的突破。

而MACOM这边目前对于带宽问题已经有成熟的产品推出，Walter Honcharenko介绍到：“MACOM推出了涵盖LTE和5G频段工作带宽的设备和组件。虽然LTE中各个载波带宽为20 MHz，但MACOM有很多设备能够支持同一频段或跨多个频段的多信道LTE载波。因此，MACOM将使用100MHz 5G以延续开发宽带LTE无线电前端射频设备组件的设计实践。”

而针对此问题，Qorvo方面在设计之初便已经有所考虑，Anson Zhang表示：“带宽的增加反应到器件上就是对线性度的要求提高，所以在5G器件设计的时候就要考虑到高线性度的要求。”

简单而言，对于射频厂商，可以从设计方面入手，或是通过广泛测试来生产满足兼容性设计的设备，亦或是加强与运营商、平台商之间的沟通，众多解决方案都能够有效控制LTE与5G并存运行时产生的干扰及带宽不匹配等问题。

基站链路干扰需要控制 标准化设计可以有效规避

在未来，最先作为5G大规模使用载体的必然是智能手机，而对于普通用户而言，自然希望在使用5G时能够在保证自己过往使用习惯的同时能够有更加优秀的用户体验。这便要求手机除了支持5G以外，还需要对以前的4G、3G、2G网络进行兼容，同时需要保证WiFi与GPS、北斗等的公组性。

Anson Zhang认为：“从射频前端的角度来看，更多是考虑各个频段之间的干扰问题。网络兼容问题更多的是标准化组织、运营商以及平台厂商会考虑的问题。比如，如何从5G的数据通道回退到4G或3G、2G的语言通道等。”

对于射频前端厂商而言，各个频段的干扰性问题需要由标准化组织、运营商以及平台来考虑，而站在厂商角度来看，主要是考虑频段之间的干扰问题，当然这里主要是在手机端，而在基站端，射频厂商对于频谱、杂散辐射和滤波必须进行管理，以减少对链路产生的干扰。

Walter Honcharenko表示：“5G、4G、3G、2G、WiFi和GPS的互操作性、协同定位和共存问题均由部署5G的网络运营商处理。互操作性基站的频谱、杂散辐射和滤波必须经过适当管理，以尽可能地减少上行链路和下行链路中的干扰。终端和移动设备的设计也必须符合协同定位和共存的要求。”

如何实现这些设计目标呢，WalterHoncharenko对记者补充道：“为了实现设计目标，MACOM按照严格的设计标准来设计组件（例如，射频开关的开关时间），以避免任何潜在的干扰问题。MACOM的器件已经过大量内部和客户测试，从而为周围的器件（滤波器和隔离器）制定规范和要求，确保符合3GPP 36和3GPP 38协同定位标准。”

虽然射频前端厂商对于手机端的网络兼容问题可以交由网络运营商来处理，但是在基站方面，则需要注意对频谱、杂散辐射及滤波进行适当管理，通过有效的控制来减少链路中的干扰，同时按照设计标准来进行组件的设计，可以有效规避潜在干扰问题。

GaN优势明显 但目前手机端仍以GaAs为主

当然，除了按照设计标准来消除干扰，以及采用集成化缩小对PCB面板空间的占用外，还可以采用新材料来达到这些目的。目前射频前端元器件基本均由半导体工艺制备，如手机端的功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）主要基于GaN、GaAs、SOI、SiGe、Si，射频（RF）开关主要基于CMOS、Si、GaAs和GaN材料，从目前的材料工艺角度来看，主要针对5G的Sub-6GHz范围。以PA为例，许多业内人士认为，GaN技术的运用将能为PA带来高效低功耗的优势。

对于此观点，贾智博认为：“GaN的性能确实会比较好，但目前主要产品在基站PA被较为广泛的采用。不过在手机端，GaN的运用还需要克服电压和成本的问题，紫光展锐会长期保持关注。”

Anson Zhang则表示：“与之前的半导体工艺相比，GaN的优势在更高的功率密度及更高的截止频率。在5G高集成的Massive MIMO应用中，它可实现高集成化的解决方案，如模块化射频前端器件。在毫米波应用上，GaN的高功率密度特性在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，可有效减少收发通道数及整体方案的尺寸。实现性能成本的最优化组合。随着5G时代的到来，小基站及Massive MIMO的飞速发展，会对集成度要求越来越高，GaN自有的先天优势会加速功率器件集成化的进程。5G会带动GaN这一产业的飞速发展。”

当然，与紫光展锐在手机及基站端应用方面的观点一致，Anson Zhang补充道：“但是GaN的应用更多的还是在基站端。手机终端因为可移动性的要求，频率还是以6G以下为主，所以GaAs PA还是主流。”

而作为已在GaN运用中拥有成熟技术的MACOM，Walter Honcharenko表示：“MACOM是领先的GaN-on-Si（硅基氮化镓）器件开发商。GaN-on-Si器件可提供更高的效率，这有助于开发商设计和部署更小、更轻的基站硬件。网络运营商致力于提供尽可能多天线以达到目标容量，而将GaN-on-Si器件技术与模块驱动设计相结合，便能够设计并部署更小、更轻的产品。”

显然，GaN的使用的确会带来许多优势，如集成度更高、高功率密度、低功耗及具有极强的成本效益，以SiGe only MIMO天线为例，拥有1024个单元裸片面积达到4096mm²，而性能相同的GaN-based MIMO天线，尽管价格更高，但功耗可以降低40%，裸片面积减少94%，成本降低80%。但需要注意的是，目前GaN的运用主要集中在基站端，而在手机端由于5G应用主要在Sub-6GHz，同时面临电压及成本等因素的制约，目前依然以GaAs PA为主。

射频前端市场潜力巨大 需求增多厂商受益

5G不仅为射频前端厂商带来了许多技术上的挑战，同时也为这些厂商带来了相应的红利。随着频段的增加和多天线MIMO技术的引入带动射频前端器件市场快速增长。Yole预计，射频前端市场规模将从2016年的101亿美元增长到2022年的228亿美元，年增长率达到14%。

市场的扩大也为这些厂商带来更多的机遇，AnsonZhang认为：“整个行业仍将延续平稳增长的态势。其中IoT的相关领域将会成为增长亮点。随之而来的5G相关领域也将迎来爆发期。Qorvo将继续保持在移动终端和基础设施的优势，寻求快速增长。公司在IoT和5G等领域已经做好提前部署，并会有一系列新产品面世。”

MACOM对于如今市场的表示也秉持乐观态度，Walter Honcharenko表示：“当今的射频前端市场主要由5G驱动。这项技术带来的机遇不断增加，MACOM很高兴能够参与其中，并且预测为各种5G频段开发器件、组件以及前端模组解决方案的需求将会不断增加。”

对于在国内射频前端领先的紫光展锐而言，5G射频前端市场的蓬勃发展自然也乐见其成，贾智博表示：“射频前端产品线（RDA）一直以来都是紫光展锐的名牌。尤其是当前智能手机市场增速放缓而射频前端市场增长潜力巨大的情况下，更将成为重点！”

同时，紫光展锐也针对目前快速增长的市场做了相应的准备，贾智博补充道：“首先，公司会集中优质资源，不断增加研发投入来补强和完善产品线；其次，注重提升产品品质，努力打造拳头产品；最后，提供多样性的解决方案。对于市场变化的应对措施主要有两点，其一是与主芯片厂商密切沟通，积极参与产品定义，推出合适的产品；其二是及时了解市场动向，推出适合客户的解决方案。”

当前射频前端市场产业链已经非常成熟，欧美IDM大厂技术领先，规模优势明显，例如其中在SAW滤波器中，全球80%的市场份额被Murata、TDK、TAIYO YUDEN所瓜分，而在4G、5G中应用的BAW滤波器则被Avago（Broadcomm）和Qorvo占据95%的市场空间，PA全球93%的市场集中在Skyworks、Qorvo和Avago（Broadcomm）手中。

总体来看目前中国厂商在手机天线及射频前端的市场占有率较低，但也意味着在5G市场潜力相当巨大，如紫光展锐这种在国内射频前端市场领先的企业已经在加紧5G射频前端的相关研究以及开发相应产品。虽然目前与国外大厂依然有着一定的差距，但未来市场中其本土化服务优势加上加速成熟的技术工艺必将为其赢得更大空间。

编者认为，由于5G技术与以往的不同，其涵盖的频段、传输特性、传播距离等都与4G等过往的通信技术大相径庭，因此需要重新设计射频前端来对5G技术进行适配。同时5G天线的形态变迁也带给了射频前端厂商新的难题，对此众多厂商都在研发合适的产品，来帮助5G射频前端向着集成化、高效率、低成本方向迈进，从而推动5G技术的快速落地。