在7月中旬于蘇州舉辦的射頻設計與測試論壇上，Qorvo 公司高級銷售經理趙玉龍發表了一個題為《5G 射頻前端的終局之戰：毫米波》的演講。

他首先指出，在最近幾年，隨著 5G 的到來，整個射頻前端產業獲得了飛速的發展，產品形態也從離散的器件，發展到模組化，并隨之出現了很多新的名詞，比如 PAMiD，PAMiF，DiFEM 等等。

趙玉龍進一步指出，5G 的主要頻率分為兩個階段，分別是 FR1 和 FR2。而演講里談到的毫米波，正是屬于 FR2 階段關注的技術重點。在進入這個階段后，對射頻前端也提出了更高的需求。作為一個射頻供應商，Qorvo 一直專注的方向是如何讓數據流更寬、如何讓傳輸得更快、更有效率。這也是 Qorvo 未來的重點發展方向。

在具體談毫米波之前，趙玉龍先生用一個蛋糕和金字塔模型，展現了從 FR1 過渡到 FR2 帶給行業的變化。

據趙玉龍介紹，按照不同應用場景，客戶有不同的需求。例如在郊區和城鄉結合部，客戶更需要的是廣泛的覆蓋。在中環和內環一般商務和住宅區，客戶則對數據速率有了一定的要求；來到高端寫字樓、高鐵站和飛機場等場景，對數據流量和高密度連接有較大的需求，這也是 5G 毫米波發揮功用的地方。

除了應用場景以外，我們也需要關注一下頻率，因為這是一種非常寶貴的資源。在低層，也就是需要實現廣范圍覆蓋的地方，我們可以用 1Ghz 以下的頻率來實現；在中間那個位置，1Ghz 到 7Ghz 的頻段能夠滿足終端客戶的需求；在更上面的一層，則需要 24Ghz 以上的頻段。

“在以上不同的頻段間，我們可以看到他們能提供不同的帶寬體驗，也能給相關的廠商帶來不同的挑戰，當中最直接就體現在射頻前端上”，趙玉龍接著說。為了更好地說明這些變化，他以 FR1 中 1Ghz 到 7Ghz 頻段和 FR2 中的高頻段對射頻的不同需求做了詳細說明。

如下圖所示，在 1Ghz 到 7Ghz 頻段（典型頻段如 Band 2、Band 3、Band 41、n78 和 n79），整個信號對 PAR 要求更高，那就意味著因為信號攜帶大量數據，更高階的調制帶來信號幅度和相位的劇烈抖動。

同時，單載波在這個頻段也可以達到 100Mhz 的頻率帶寬。作為對比，2G 的頻率帶寬是 0.2M，3G 的頻率是 3.84 G，4G 的頻率帶寬也僅為 20M，這足以說明這個頻段帶來的明顯提升。當然，因為有 100M 的信號會通過我們的 PA 和濾波器，我們可以看遇見其到其帶來的挑戰。

從上圖我們還可以看到獨立組網和非獨立組網給射頻前端帶來的需求。此外，在包括更小的射頻器件面積、FDD 模式下連續發射信號的 PA 效率、射頻前端的損耗比以前大、SRS 帶來的天線問題、更大的屏占比和更薄的電池等多個要求推動下，射頻前端在 FR1 時代已經做出了一個不小的改變，從上圖右邊藍色部分可以看到產業為了解決相關問題而做的一些應對之策。毫無疑問，砷化鎵 HBT 的工藝，已經成為了不二選擇。

來到了 FR2 階段，行業則對射頻射頻前端提出了更高的要求。但從趙玉龍的介紹我們得知，在 Qorvo 看來，GaAs pHEMT 工藝會是毫米波時代一個非常有前景的技術。

趙玉龍表示，在毫米波時代，多載波的帶寬可以做到 400Mhz，同時還要采用 1×2 或者 1×4 的天線陣列模式。“事實證明，現在在一個手機里面需要配備兩到三個，或者三到四個 AiP 的模組”，趙玉龍接著說。

據介紹，在手機上下行的鏈路中，最困擾運營商和 OEM 的一個問題是手機的上行功率不太夠。也就是說手機往基站發信號的功率比較小，而從基站到手機的下行功率則可以通過基站的多天線，或者基站增大功率解決。

“諸如發熱、方向性、手機 ID 設計和前端插損等因素也會給 FR2 下的手機設計帶來挑戰”，趙玉龍在會上強調。按照他所說，要解決這些問題，就需要尋找一個優化的半導體制程來實現。而 OTM（Optimum Technology Matching）就是 Qorvo 看中的一個方向。

趙玉龍在會上指出，通過引入 OTM，能夠為開發者帶來很好的效果，當中包括但不限于天線陣列在同樣輸出功率的前提下變得更小、效率會更高等。通過下圖的一個對比范例，我們可以看到其中的價值。

如上圖左所示，在 2020 年推出的一款手機，開發者在其上用了三個 AiP 的模組。然而在 2021 年推出的一款手機里，則只有兩個 AiP 模組。在這個演變期間，運營商不但要求手機的上行發射功率能做得更高，還要求在產品的發熱方面要做到更好的控制。至于 HMOV 這樣的手機 OEM，他們不但希望射頻前端擁有更小的尺寸、更小的 AiP 和毫米波模組，還希望提供非常有競爭力的成本。

“在這么多的需求鞭策下，現有的單芯片 CMOS 方案是無法解決現有的問題。這就驅使 Qorvo 去尋找新的解決方案”，趙玉龍強調。他進一步指出，如下圖所示，基于單芯片硅的毫米波設計可以分成幾個部分。其中橙色框代表 memory、混頻，鎖相環和 I/O 等模塊。中間部分則包括各種功分器合路器等等的 RFIC，最右邊則是我們熟悉的 PA、LNA 和 Switch 等射頻器件。

這幾個部分組成的一個產品，就是我們俗稱的 FEM，也就是所謂的射頻前端模組。這個模組跟天線靠的是非常近，這也是我們在 FR1 時代采用的 FEM 概念。但來到了 FR2 時代，Qorvo 則又提出了一個不同的方式。

如下圖藍框內所示，他不但包括了一個擴展的射頻前端模組 eFEM（external Front End Mdule）。還包括了 Beamforming RFIC （內含混頻器、鎖相環等器件），當然，電源管理芯片也是這個設計不可或缺的一個重要組成部分。

“這是一個 Qorvo 在推動，并認為非常有前景的設計”，趙玉龍強調。從他的介紹我們得知，在 eFEM 中集成了兩種不同工藝的優勢。除了用 GaAs pHEMT 工藝來做 PA 以外，這個設計還用了 SOI 來做 LNA 和 Switch。據趙玉龍所說，Qorvo 在這個設計中用最佳的工藝來做最好的事情，這正是 Qorvo OTM 的宗旨。

雖然采用了不同的設計，但趙玉龍表示，基于這個新技術打造的芯片仍然可以做成 AiP 的方式，Qorvo 也正在和一些前沿合作伙伴以及品牌正在推動這個設計成為主流。因為這個設計與純硅的設計相比，有很大的不同，為此有很多開發者對如何將這個新方案與原有的 CMOS 方案適配倍感疑惑。但如上圖所示，這與傳統的設計一樣，都是通過數據接口等不同的連接方式實現的。

“換而言之，這種新設計與當前 FR1 中使用的模組概念，并沒有太大區別”，趙玉龍強調。這也意味著新設計并不會給客戶從 FR1 到 FR2 的過渡帶來太大的障礙。

我們再深入看一下 Qorvo 正在研發的這個模組。正如上文所示，中間部分是用 SOI 做得 LNA、switch 和 controller 等器件，周邊則是放了四顆基于 GaAs pHEMT 打造的 PA，這就給整個設計帶來了靈活性。

“因為在這個設計中，是把不同的 die 封裝在一起，因此我們可以根據客戶的需求，做不同的配置，滿足不同的需求，給他們帶來更優的解決方案”，趙玉龍說。為了避免不同部件之間的頻率干擾，Qorvo 還為整個設計了一個叫做“銅柱”的產品，來對這些器件進行隔離讓不同的功能單元，分布在不同的腔體里。

據趙玉龍介紹，與傳統的 CMOS 設計相比，Qorvo 的這個的新設計，不但能提供更大的發射功率，尺寸也能做到更小，在靈活性和接收靈敏度方面，也比純 CMOS 的單芯片更有優勢，達成了更好的效果。

趙玉龍舉例說到，在實現一個 1×4 的雙極化八通道毫米波模組的時候，如果選用純 CMOS 的單芯片方案來做的時候，如果要做到 11dmm 的 channel，則需要 1.8W 的直流功耗。如果采用 Qorvo 的 eFEM 設計，達到同樣的效果，則僅需要 1.02W 的功耗，新設計帶來的效率提升是顯而易見的。

如果我們把整個向上的發射功率增加到 14dbm，在這種情況下， eFEM 設計的功耗是一樣，那就意味著在同樣功耗的情況下，可以將發射功率提升一倍。

如果我們把向上的發射功率增加到 17dbm，同時還把天線陣列從 1x4 變成 1x2，這樣的話整個 AiP 設計更小，成本更低。但這時候我們可以看到，整個 AIP 的發射功率不變化，但他的直流功耗變小了，天線設計變簡單了，對智能天線的 beamforming 快速捕捉會更快。這都是 OTM 設計帶來的好處。

“我們展望一下，如果行業導入中心化 Transceiver 的概念，并在周邊布置很多 eFEM 的 die，這樣能帶來設計靈活性提高，同時成本和尺寸也會降低，也能讓毫米波模組的成本更有競爭力”趙玉龍說。

編輯：jq