5G手機中的射頻前端設計解析

十年前，蜂窩設備的射頻 (RF) 設計開始發生根本性變化，這將為當前射頻前端的復雜性鋪平道路 - 調制解調器和天線之間的智能手機部分。世界正在經歷從多種支離破碎的 3G 全球蜂窩技術到統一的 4G 無線標準的重大轉變，該標準被稱為長期演進或 LTE。這是改善蜂窩通信以最佳利用無線電頻譜的漫長旅程的第一步。 4G LTE 的出現需要一套新的無線技術來利用可用的蜂窩無線電頻譜，并最有效地利用分散的頻譜資源。為實現這一目標，RF 工程師從根本上重新設計了 RF 前端的無線信令和傳輸架構，增加了主要功能，例如載波聚合、高階調制和多輸入多輸出 (MIMO) 天線。通過結合越來越多的無線電頻譜來改善整體無線連接和性能，移動設備中的 RF 設計變得相當復雜。這是三部分系列中的第一部分，旨在幫助理解 RF 前端設計之謎以及使 5G 智能手機成為可能的技術。它探討了為什么手機中的 RF 前端設計變得如此復雜，并回顧了 RF 前端架構，說明了芯片組行業如何管理這種復雜性并持續改善用戶體驗。

射頻前端之謎

在 4G 之前，蜂窩無線電設計是一件非常簡單的事情。傳統的射頻前端僅支持少數不同的射頻，而這反過來只需要少量射頻組件和天線來支持下行鏈路和上行鏈路功能。但隨著行業開始 4G 的長期演進，很明顯，RF 前端設計必須能夠快速擴展，以適應全球蜂窩應用中可用的無線電頻率的增長。今天，在 4G 和 5G 手機中看到支持超過 20 個頻段以及多個天線的射頻前端設計并不罕見。與 3G 相比，4G 的初始復雜性在 RF 前端部分造成了幾何增長。隨著行業向 5G 過渡，RF 設計挑戰變得更加復雜，這給設備制造商提出了一項艱巨的任務，即阻止 RF 復雜性呈指數級增長。事實上，我們的研究表明，在智能手機的任何部分，射頻前端的物料清單 (BOM) 成本上升幅度最大。其他功能領域的成本和復雜性僅略有增加，而 RF 前端的成本和復雜性都增加了。

最新的 5G 射頻前端設計必須滿足更多的網絡要求，以支持新的、更寬的 5G 頻率帶寬，以及越來越多的 LTE 頻段，因為大多數 5G 網絡推出時使用的是非5G 的獨立實施。這意味著兩個不同的無線電同時處于活動狀態，一個 5G 和另一個 4G，具有獨特且獨立的射頻鏈。 5G 標準還有助于引入新的、以前未使用的頻譜，從 24 GHz 開始，通常稱為毫米波頻譜。這些頻段提供 1 GHz 以上的頻譜，從而實現超過 7 Gbps 的峰值無線數據速度。但是為了實現這些速度，設備設計犧牲了信號覆蓋范圍。毫米波 5G 的接收和傳播在實際應用中更加困難，這迫使使用波束成形和波束控制等新型無線電技術來產生可用的毫米波 5G 連接。隨著 5G 增加了手機中無線電和 RF 組件的數量，創建支持三代蜂窩無線電技術的功能性 RF 前端變得更加困難。下表說明了 3G、4G 和 5G 網絡中支持的頻段數量的增加，這導致了 RF 復雜性的失控增長。對比過去 11 年來三星 Galaxy 系列的第一代設計，我們可以看到，每一代新的網絡都帶來了更多的支持 RF 頻段，增加了對 RF 前端的要求，以跟上增加的帶寬。這意味著手機制造商需要大量投資來設計功能更強大的射頻前端，控制成本膨脹并在設備上使用有限的空間。

一直以來，這些 RF 復雜性在產品文獻和消費者隱藏的 RF 設計挑戰中都被掩蓋了，因為這些復雜性會使產品信息變得混亂。智能手機用戶不需要或不想了解這種日益增加的復雜性；他們希望他們的手機可以在任何地方使用，無論他們住在哪里。

為什么要這么復雜？

為了實現一代又一代網絡和用戶體驗的數量級改進，需要更多的無線電頻譜。但令人不快的事實是，RF 前端設計無法隨著對電話無線電需求的增加而有效擴展。由于頻譜是一種稀缺資源，政府必須對射頻頻譜進行配給，從而造成當今大多數蜂窩網絡無法滿足 5G 的預期需求。毫米波技術是一種解決方案，但它的傳播效果不佳，因此 RF 設計人員不能僅僅依靠它來解決頻譜緊縮問題。他們需要解決最廣泛的 RF 支持，并構建有史以來引入消費設備的最強大的蜂窩無線電設計。從低于 6 GHz 到毫米波，現代無線電和天線設計必須使用和支持所有可用頻譜。并且由于頻譜持有不一致，頻分雙工和時分雙工功能必須結合在單個射頻前端設計中。此外，通過綁定不同頻率的頻譜來幫助增加虛擬帶寬管道的載波聚合增加了 RF 前端的要求和復雜性。

此外，無線局域網和 Wi-Fi 不斷發展的功能增加了另一層復雜性，因為蜂窩和 Wi-Fi 信號必須分開，否則會有大量 RF 干擾的風險。最新的 Wi-Fi 6E 標準增加了 6 GHz 頻譜。因此，射頻前端必須具有先進的濾波技術，以避免射頻信號重疊。由于 5G 中 RF 需求呈指數級增長，智能手機 RF 前端設計變得如此復雜。今天的消費者期望制造商解決所有這些 RF 挑戰，但并不完全了解我們是如何達到這種復雜程度的。換句話說，如果要實現 5G 的承諾，就無法擺脫 RF 前端的復雜性。

現有 5G 手機中的射頻前端設計

今天的射頻挑戰表現在很多方面。領先旗艦設備中的物理天線數量從典型的 3 或 4 個顯著增加到 12 個以上——不包括毫米波天線模塊。下圖突出顯示了現代設計中所需的天線數量不斷增加，此外還需要結合毫米波天線。

從 4G 過渡到 5G，需要更多天線來支持 4x4 MIMO 天線并覆蓋從 600 MHz 到 7 GHz 的各種 sub-6 GHz 頻率。天線調諧器的使用有助于將現有天線重新用于多個頻率，減少物理天線的數量。雖然這很有幫助，但 5G 的非獨立實施需要數以萬計的載波聚合組合和毫米波頻譜的特殊規定，需要多個無線電鏈。這增加了 RF 前端的組件數量、成本和復雜性。5G 智能手機中 5G 射頻前端設計不斷增長和不斷發展的需求難以擺脫；行業能做的最好的事情就是管理這種復雜性。由于智能手機中的 RF 前端要應對 RF 需求呈指數級增長的局面，因此它也被要求在設備中占用更少的空間。換句話說，它被困在巖石和堅硬的地方之間，試圖平衡這兩種相互沖突的需求。 ? 那么 5G 射頻前端如何在保持緊湊的同時變得更加強大呢？答案是通過電子集成。下面是一個前端模塊的圖像，它用作輸入信號的 RF 接收路徑或鏈。模塊有助于減小印刷電路板上電子元件的尺寸，而這在 5G 智能手機中的空間非常有限。

RF 前端從天線開始，到達 RF 收發器，最后到達調制解調器。天線和調制解調器之間有更多的射頻技術在起作用。下圖試圖簡化領先 5G 設計中的許多射頻組件。對于這些部件的供應商來說，5G 提供了一個擴大市場的黃金機會，因為 RF 前端內容與增加的 RF 復雜性成比例地增長。

例如，射頻濾波器市場有望在 5G 射頻前端實現最高增長率，因為對更多射頻的支持意味著需要過濾更多射頻。博通、Qorvo、Skyworks Solutions、村田和高通等射頻部件制造商都將從這個不斷增長的市場中獲益。然而，在 5G 手機中提供這些 RF 前端組件是一回事，提供解決方案來馴服 RF 復雜性并使一切正常工作是完全不同的球賽。為滿足這一新興市場需求，傳統芯片制造商高通公司整合了一系列射頻組件和技術，為智能手機制造商提供經過驗證的射頻調制解調器到天線解決方案。這種新穎的策略為設備生態系統帶來了重大價值，因為并非所有制造商都希望投入大量 RF 工程資源來設計自己的 RF 前端。

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2021-08-31