隨著5G空口、SA、NSA等標準紛紛確定以及中國三大運營商頻譜確定，5G時代已經正式開啟，2019年我們將迎來5G手機大爆發，目前，華為、小米、OPPO、VIVO、一加等都聲稱將在2019年上半年推出5G手機，由于5G新增了頻段（n412.6GHz，n773.5GHz和n794.8GHz），因此5G手機的射頻前端將有新的變化，同時考慮到5G手機將繼續兼容4G、3G 、2G標準，因此5G手機射頻前端將異常復雜。

圖一 手機射頻前端構成框圖

一般而言射頻前端（RFFE）由功率放大器（PA：Power Amplifier），天線開關（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等器件組成，它是智能手機的射頻收發器和天線之間的功能區域，射頻器件設計難度大，材料要求特殊，也是本土IC需要攻破的難點之一，有專家特別指出射頻在5G手機的設計中尤為關鍵，4G手機最大的制造成本在屏幕與處理器，但5G手機最大的成本或許會轉向整套的射頻方案其幾個甚至超過了手機處理器平臺！市場調查機構Navian預測，2020年僅移動終端中射頻前端芯片的市場規模將達到212億美元，年復合增長率達15.4%！

5G時代，手機射頻器件將會有哪些新的發展趨勢，近日電子創新網等專訪了Qorvo亞太區移動事業部市場戰略高級經理陶鎮，他分享了有關5G手機射頻前端未來發展的洞見。

圖二 陶鎮與媒體交流

5G 手機射頻前端發展趨勢

總體而言，5G時代，射頻數量將大幅度增加，因此5G手機成本會進一步提升，

Qorvo公司高管曾指出，5G將給天線數量、射頻前端模塊價值量帶來翻倍增長。以5G手機為例，單部手機的射頻半導體用量達到25美金，相比4G手機近乎翻倍增長。其中濾波器從40個增加至70個，頻帶從15個增加至30個，接收機發射機濾波器從30個增加至75個，射頻開關從10個增加至30個，載波聚合從5個增加至200個！

這是因為4G時代，智能手機采取的1發射2接收架構

圖3 4G手機射頻前端框圖

而到了5G時代，獨立組網的手機將采用2發射4接收的架構

圖四 5G手機產品建議

圖五 最新5G手機射頻前端框圖

陶鎮表示僅此架構的改變就要多預計將新增4個收發模組，合計增加4到6顆，12到18顆濾波器，40到60顆電容。此外，“根據目前工信部給運營商劃分的頻譜來看，5G時代增加了n41 2.6GHz，n773.5GHz和n794.8GHz三個頻段，所以需要增加三個射頻前端模組，有人說中國移動獲得2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz段 160MHz 5G頻段中的2.6GHz頻段是技術不成熟頻段，其實這是因為3.5GHz是全球核心頻段，所以成熟度高，但其實中移動在LTE B41已經把產業界培育的很成熟了，大部分稍微升級下即可支持n41，我們Qorvo有支持n41的 射頻前端，支持n41目前已經不落后于3.5GHz了，實際上，在去年11月初溫哥華GTI研討會上，我們第一次展示了基于2.5Ghz頻譜的5G的射頻模塊QM 75041。”

圖六Qorvo n41射頻前端模塊

據悉，Qorvo展示的針對n41頻段的射頻前端模塊集成了功率放大器、濾波器、開關、耦合器等。

此外，陶鎮表示5G時代還需要額外的天線調節器來做天線隔離，這主要是因為頻譜的翻倍，驅使你去使用更多的天線來做覆蓋而引起的。這樣的需求，也推動了天線陣列的應用、MIMO的誕生，給射頻前端提出新的需求。MIMO技術的應用普及為天線帶來巨大增量市場。預計到2020年，MIMO 64x8 將成為標準配置，即基站端采用64根天線，手機采用8根天線。

圖七 5G手機天線設計

“到了5G時代，基站和手機都必須引入天線陣列，基站可以做到64×64，但手機受限于尺寸限制，只能做到4×4或者2×4，這就帶來了相關射頻的需求”，陶鎮說。“來到MIMO方面，這個在4G時代就存在的技術到了5G則迎來了更剛性的需求。新的通信標準要求下行有4×4，上行也要翻倍，這也帶來了射頻器件的增加。”

圖八 Qorvo n79射頻前端模塊

針對射頻前端集成化趨勢，陶鎮表示幾家領先手機廠商都采取的是射頻高度集成的模式，但集成不是所有的都集成，針對覆蓋低頻的模塊集成的是1到2個功放、濾波器或者雙工器，針對中高頻（1.7Hz到2.5GHz）或者高頻模塊，則集成了三個以上PA和幾十個濾波器。

“對于中高頻射頻前端，需要集成BAW濾波器才能達到更好的性能。所以并不是所有廠商都可以做中高頻的集成，因為受濾波器限制，另外是可生產能力的限制，因為中高端模塊涉及到二三十顆功放、濾波器、開關等IC的晶圓，品質控制要求很高，不過模塊化一定是未來旗艦機的方向。”他補充說，“Qorvo是一家產品很全的公司，功放、開關、濾波器等都做，像BAW、SAW，SOI、射頻開關都有，做模塊反而是Qorvo的優勢。因為并不是所有的競爭對手都同時有上述器件研發能力和整合能力。”

他以n41為例指出Qorvo有n41的全頻段濾波器，全頻段PA，因此很容易實現集成方案。

5G手機PA趨勢

功率放大器（PA）是一部手機最關鍵的器件之一，它直接決定了手機無線通信的距離、信號質量，甚至待機時間，是整個射頻系統中除基帶外最重要的部分。手機里面PA的數量隨著2G、3G、4G、5G逐漸增加。以PA模組為例，4G多模多頻手機所需的PA芯片為5-7顆，預測5G手機內的PA芯片將達到16顆之多。

陶鎮表示就工藝材料來說，目前砷化鎵PA依然是主流，國內幾家做PA的廠家也主要采用的是砷化鎵工藝，雖然CMOS PA越來越成熟并有集成的優勢但是因為參數性能的影響，它只適用于低端市場。

“其實Qorvo同時有CMOS工藝和砷化鎵工藝，我們會區分產品線，有些產品CMOS工藝足夠滿足，就用CMOS工藝做了，我們大部分產品都是CMOS工藝去做的，一般CMOS工藝更多做2G，3G，針對4G 5G還有SOI工藝可以選擇，然后是砷化鎵，相對也少，都是做傳統2G的這一塊，2G的這塊起，所以從4G的角度，不是未來的5G砷化鎵。另外，砷化鎵PA的TRP 值要優于CMOS工藝的，TRP全稱Total Radiated Power是手機的總輻射功率。”他補充說。

在毫米波頻段，氮化鎵及InP的制造工藝在性能指標上均要強于砷化鎵，5G直能手機會采用氮化鎵PA嗎？

對此，陶鎮表示氮化鎵有不同使用方式，Qorvo有氮化鎵產品，目前已經在基礎設施類產品中大量使用，未來5G基站中也會大量使用氮化鎵產品，但目前氮化鎵產品沒后在手機中使用，“近期，兩三年之內氮化鎵不會用在手機，主要原因一是氮化鎵產品成本比較高；二是氮化鎵需要較高電壓，基站都需要12V電壓，手機最多到5V，所有氮化鎵驅動是個問題，如果電壓降低了，性能就弱化了，氮化鎵需要在高電壓下其優異性能才能表現出來，看以后6G、7G是否有可能用到吧。”他補充道。“不過氮化鎵在基站端會有很多應用。”

他表示5G時代，PA會引入更多的技術（如包絡跟蹤）來滿足5G功率需求，包絡跟蹤能夠通過不斷調整PA 電源電壓以跟蹤RF 包絡的方式來優化效率。但包絡跟蹤器預計在5G 部署期間只支持最多60 MHz 帶寬，而新的5G 頻段（如n77 和n79）則需要支持高達100 MHz 帶寬的單載波傳輸。為此，PA 將需要在平均功率跟蹤(APT) 固定電壓模式下運行，以實現寬帶5G 傳輸，同時會降低效率。

5G手機濾波器發展趨勢

目前，SAW、BAW濾波器是手機應用的主流濾波器，但5G新增頻段對濾波器提出了新的需求，有望拉動BAW（體聲波）濾波器的快速增長，這是因為SAW（聲表面濾波器）適合的是400 MHz 至 2.7 GHz 頻率范圍射頻濾波，而BAW（體聲波濾波器）適合2GHz以上射頻濾波。

圖九 SAMBAW濾波器工藝有差異

陶鎮表示通俗地理解SAW是一個是平面傳遞能量的濾波器，而BAW是一個垂直傳遞能量的濾波器，這兩個濾波器都是基于聲學工藝的濾波器，另外還有一種濾波器是陶瓷濾波器，它是基于電傳輸的濾波器，工作方式完全不同。聲學濾波器的優勢是尺寸可以做到很小，因此廣泛用在手機內，而陶瓷濾波器尺寸不能很小。

圖十 SAW濾波器（上）和BAW濾波器（下）的結構

陶鎮表示5G時代引入了新的頻譜3.5G和4.8GHz，BAW在這個頻率段有優勢，所以BAW濾波器會有大的增長，但是SAW和BAW都不能支持高帶寬（例如600MHZ），不能支持全頻段，Qorvo在不斷改進工藝，希望未來在5G這兩個頻段，聲學濾波器可以支持。

與 SAW 相比，BAW性能更好，但BAW所需的制造工藝步驟是 SAW 的10倍因此成本也更高，但是當頻段越來越多，甚至開始使用載波聚合的時候，就必須得用BAW技術才能解決頻段間的相互干擾問題。

據他介紹Qorvo作為全球領先的射頻方案提供商，擁有廣泛的 RF 濾波器產品組合，包括雙工器、同向雙工器、三工器、四工器和分立式 RF 濾波器，可以覆蓋 400 MHz 至 2.7 GHz 的頻率范圍，包括蜂窩式 (2G/3G/4G/LTE)、GPS 和工業、科學及醫學 (ISM) 頻段，在大小、性能、成本和上市時間方面均處于市場領先水平。

圖十一Qorvo的5個BAW濾波器演示

陶鎮表示作為全球領先射頻企業，Qorvo致力于解決復雜的射頻前端問題，如開發天線合路器把不同制式、不同頻段合成到一根天線上以減少天線的數量，同時不斷地做進一步集成以減少器件的數量。“在調諧器及開關方面，5G時代MEMS 開關應用會更多，因為未來5G的第三個場景——高可靠性零時延場景需要極快的開關切換速度。除此以外，系統架構方面還需要更多的天線分工器以及天線調諧功能。我們會跟運營商商密切溝通，解決5G時代射頻需求。”他指出。