射频前端市场在5G时代会迎来哪些挑战？

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7月3日消息，继第五代移动通信技术标准（5G NR）独立组网功能冻结后，短短半个月时间，国内三大运营商、移动芯片厂商和手机厂商等各方面均在加快5G商用部署的脚步，为5G手机的到来打下坚实基础。

6月14日，5G NR独立组网功能实现冻结，加上去年12月完成的非独立组网NR标准，5G已经完成第一阶段全功能标准化工作，进入产业全面冲刺的新阶段。5G标准的最终确定，实现了5G“万里长征”的第一步。

在上海举办的MWCS 2018上，国内三大运营商纷纷表态，为2020年实现5G正式商用作出详实部署。

中国移联合大唐电信等合作伙伴发布“5G SA(独立组网)启航行动”，打通全球首个基于5G独立组网端到端系统的全息视频通话。同时公布5G商用计划表，预计2018年底面向行业客户开放5G产品测试，明年10月实现友好用户测试，2020年正式商用。中国联通副总经理邵广禄宣布，今年将在全国16个城市开展5G规模试点，预计2019年开始预商用，2020年正式商用。中国电信发布《中国电信5G技术白皮书》，提出5G“三朵云”目标网络架构和“一个前提、三个原则”的网络演进策略，采用SA组网方案，通过核心网互操作实现4G和5G网络的协同，初期主要满足eMBB(增强移动宽带)场景需求。

今年在深圳举办的IMT-2020(5G)峰会上，工信部副部长陈肇雄表示，目前5G第一阶段的国际标准已经制定完成，我国企业全面参与了5G国际标准制定，新型网络架构等多项技术方案被国际标准组织采纳。目前，我国已经突破大规模天线、网络编码等关键技术，各项测试工作将加速进行。确保今年底前推出符合第一版本5G国际标准的商用系统设备。

5G给我们带来什么？
提到5G网络，与4G时代不同，将具有更高速率、更低时延和海量的连接。较4G提升数十倍的速度、低于1ms的低时延、全球超过500亿台设备相互连接。以此，也建立了超宽带移动通信（eMBB）、超低延时通信（uRLLC）、海量物连（mMTC）三大5G应用场景。正是基于这三大场景让5G时代催生了更多AR/VR、无人驾驶和远程医疗、万物互连等市场的应用。从人与人的交互，转变成物与物的沟通，实现电信级的蜂窝物联，或将引发人类社会的一场新变革。

图：5G时代三大应用场景

通信行业专家指出，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。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时代将有更多的频段资源被投入使用，多模多频使得射频前端的芯片需求增加，同时Massive MIMO、波束成形、载波聚合、毫米波等关键技术也将助长射频前端芯片需求增加这一趋势，直接推动射频前端芯片市场成长。

射频前端的挑战对于即将到来的5G通信，射频前端面临的挑战主要表面在以下方面：

-更多射频通路下的布局空间挑战。
- 更多射频通路下的成本挑战。
- 更高功率输出、更高工作频段对射频器件性能的挑战。

更多射频通路下的布局空间挑战。以当前5G通信频谱使用中，主要分为Sub-6GHz 与6GHz以上频段两个频谱。Sub-6GHz指的是6GHz以下频段，6GHz以上指的是26GGHz以上的毫米波频段。针对于最接近商用的Sub-6GHz频段，中国使用的频段为3.3G～5GHz频段，频谱高于4G时代的最高频段2.7GHz，并且未来5G可能需要覆盖的频段更多。整个射频前端需要搭配更多、功率更高的射频器件以实现频率的覆盖。以Sub-6GHz为例，一部支持3.5GHz和4.9GHz两个频段的5G智能机，其4G/5G射频功放的通路个数至少从现在的3路增加至5路。若未来支持毫米波的话，还要提升到6路或者更多。这在智能设备尺寸越来越小的趋势下，对射频前端的尺寸提出了非常高的要求。

图：终端通信模式与支持频段的演进

另外，据射频行业人士解释，对于Sub-GHz以下的射频器件，还会采用多进多出（MIMO）的技术方案实现更高速率的信号传输，在MIMO中，不论是发射还是接收，都需要倍数级的射频前端器件进行支持。以CPE（Customer Premise Equipment，无线路由器的简称）为例，其接收和发射一般为4路及8路，也就代表了其射频部件以x4，x8的倍数级增长。而在毫米波频段，由于路径衰减大，通信距离将变短，射频厂商就无法做到全向的大功率传输。以此，射频器件将采用波束成形+MIMO的方案满足网络需求。波束成型需要将阵列级别的射频信号进行空间波束成型，通路数量一般在8路合成以上，每路至少需要一组射频前端通路。所以，不论是Sub-6GHz，还是毫米波频段，都需要倍数级的射频前端来进行射频传输，这对手机体积方面产生了巨大挑战。更多射频通路下的成本挑战。由于增加射频通路个数，需要单独的硬件进行支持。所以射频前端的成本，与射频通路的通路数目成正比例关系。射频前端本身不断增加的通路个数，与不断降低的连接终端成本之间的价格矛盾，也对单个射频前端通路的成本，提出巨大挑战。

更高功率输出、更高工作频段对射频器件性能的挑战对于Sub-6GHz频段，由于5G频段的频率更高、衰减多，未来可能还需射频套件的输出功率从原有的23dBm提升至26dBm，以支持更好的空间覆盖，即功率等级将由 Power Class 3转换成Power Class 2，这对射频厂商的设计难度也提出新的挑战。

对于毫米波频段，欧美传统射频厂商一般采取IDM模式，即设计与代工同时兼顾。

Skyworks与Qorvo都拥有自建的GaAs 封装厂，这在成本控制、技术演进方面可以带来优势。但GaAs传统HBT工艺的特征频率无法满足26G～29GHz及更高频率的要求，无法应用于毫米波频段。在毫米波应用中，欧美传统射频厂商在GaAs HBT工艺下线性功率的优势，在5G时代将不复存在。对于包括Skyworks、Qorvo等在内的传统射频厂商，必须进行新技术的开发。“尽管在GaN、InP工艺升级方面也有尝试，目前仍无法找到一个实现技术成熟和经济效益的平衡点。”射频行业人士分析道，这对于拥有Foundry厂的传统射频厂商来说挑战非常大，似乎到了技术分岔口。

图：频率及功率应用与工艺选择的关系

可重构射频前端，适用于5G演进的射频前端技术为了解决常规方案射频前端面临尺寸、成本、性能多方面压力，国内一家射频厂商：慧智微电子，借助RF CMOS及SOI技术，运用 “软件可重构”架构进行全新的射频前端设计，满足未来4G演进及5G对射频器件小尺寸、低成本、高性能多方面的需求，顺应市场及技术发展。以4G时代为例，覆盖全部频段，Skyworks及Qorvo等传统方案至少采取3个射频通路完成信号的放大，采用慧智微可重构技术的4G手机射频功放芯片，仅需要2路射频通路就可以满足所有4G频段需求。相比Skyworks等竞争对手，至少可以节省一个射频通路。“在5G时代，传统欧美厂商需要将射频套件增加到6路，而慧智微利用可重构技术期待可将射频通路个数保持在2路，甚至1路就能够满足对频段的需求。与传统方案下需要6个通路相比，无论是成本还是芯片尺寸，都会是非常明显的减少。”慧智微CEO，国家千人计划专家李阳博士对讲到。

图：采用传统架构（上）与慧智微可重构架构（下）实现的4G射频前端方案对比

对于毫米波频段，高通已经在毫米波上使用CMOS工艺，这也许成为射频厂商的一个新方向，而且，随着工艺节点的下降，CMOS工艺的射频性能还能够继续提升。虽然CMOS在大功率输出中还不如GaAs等工艺，然而，由于毫米波使用了波束成形技术，对每一路的要求都下降了一个数量级，这也使CMOS成为更适用于毫米波应用的工艺技术。

图：CMOS工艺特征频率随时间的演进

李阳博士表示，在这轮5G射频前端市场的变革中，慧智微的可重构技术优势愈加明显。不仅帮助5G终端解决了因覆盖更多频段产生的尺寸和成本增加问题，还能实现性能的进一频提升，并且可以借助CMOS/SOI制造工艺延续带来的性能提升，持续进行性能、尺寸、成本的演进。

此外，从支持高数据率、多天线方面，可重构技术能够让射频器件对未来5G终端的功率、环境负载动态调配方面提供灵活的支持。无论在系统性能、场景优化、功耗控制等任何方面，5G的应用场景越复杂，可重构技术的优势将表现得越加明显。