近日，CCS Insight發(fā)布了《射頻前端的發(fā)展讓5G手機成為可能》的報告，分享了射頻前端設計復雜程度的演變及其背后的原因，以及芯片行業(yè)在應對這種復雜性并持續(xù)改善用戶體驗方面做出的努力。報告指出，為了應對向5G演進過程中射頻復雜性的指數(shù)級增長，傳統(tǒng)的芯片制造商高通公司已經(jīng)將射頻元器件和技術方案組合在一起，為智能手機制造商提供一個成熟的調制解調器到天線的射頻解決方案。這種新穎的策略為終端生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大的價值，并幫助手機制造商節(jié)約了射頻工程資源。

射頻設計的復雜性

十年前，蜂窩設備的射頻（RF）設計開始發(fā)生根本性的變化，為目前的射頻前端，即智能手機中調制解調器和天線之間部分的日益成熟鋪平了道路。當時全球正在經(jīng)歷從多種零散的3G全球蜂窩技術到統(tǒng)一的4G無線標準這一重要過渡階段，也就是所謂的長期演進（LTE），邁出了改進蜂窩通信標準以充分利用無線頻譜資源漫長旅程中的第一步。

4G LTE的面世需要一套新的無線技術，以盡可能的利用可用的蜂窩無線頻譜，并最高效地使用離散的頻譜資源。為了實現(xiàn)這一目標，射頻工程師從根本上重塑了射頻前端的無線信令和傳輸架構，增加了載波聚合（Carrier Aggregation）、高階調制（Higher-Order Modulation）和多入多出（MIMO）天線等主要功能。通過整合更多的無線頻譜來整體改善無線連接及性能，移動設備中的射頻設計也因此變得相當復雜。

本系列由三部分組成，旨在解密射頻前端RFEE設計及技術如何促使5G智能手機的面世；探討為何手機中的射頻前端設計變得如此復雜；審視射頻前端架構，描述芯片行業(yè)如何應對這種復雜性并能持續(xù)改善用戶體驗。

sophistication射頻前端之謎

進入4G時代之前，蜂窩無線電設計是一個相當簡單的事情。傳統(tǒng)的射頻前端只需支持屈指可數(shù)幾個不同的無線頻率，從而只需要少量的射頻元器件和天線來提供下行和上行的功能。但是隨著行業(yè)開始4G的長期演進，射頻前端設計必須能夠快速擴展，以滿足全球各地無線蜂窩應用對頻譜增加的需求。

時至今日，在4G和5G手機中看到支持超過20個頻段及多個天線的射頻前端設計已不罕見。與3G相比，4G起步階段面對的復雜情況造成了射頻前端部分的幾何級數(shù)式增長。隨著行業(yè)向5G過渡，射頻設計的挑戰(zhàn)更加復雜，給設備制造商帶來了抑制射頻復雜性再一次指數(shù)級增長的艱巨任務。事實上我們的研究表明，在智能手機的物料（BOM）成本構成上，射頻前端部分上升幅度最為顯著。而相比射頻前端部分成本和復雜度的增長，其他功能區(qū)的成本和復雜度僅有小幅增長。

最新的5G射頻前端設計必須支持新的、更高帶寬的5G頻率，以及越來越多的LTE頻段組合以應對更高的網(wǎng)絡需求。因為大多數(shù)5G網(wǎng)絡推出時使用的是非獨立組網(wǎng)5G；這意味著同時激活兩套不同的無線信號，即5G和4G，它們具有不同且獨立的射頻鏈接。

5G標準也助力迎來新的、尚未使用過的24GHz以上頻譜，通常被稱為毫米波頻段。這些頻段的頻寬高達1GHz，使無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾食^了7Gbps。但為了實現(xiàn)這種速率，設備設計犧牲了信號覆蓋；5G毫米波的接收和傳播在實際應用中更加困難，這也迫使新的無線電技術，如波束成形和波束轉向的應用以產(chǎn)生可用的毫米波5G連接。

隨著5G手機中的無線頻段和射頻元件的數(shù)量的增加，設計一個同時支持三代蜂窩無線技術的射頻前端變得更加困難。下表說明了隨著3G、4G和5G網(wǎng)絡中支持的頻段數(shù)量的增加，導致射頻部分復雜性的失控式增長；對比11年前三星Galaxy系列的第一代設計，我們可以看到伴隨每一次移動網(wǎng)絡的迭代而帶來支持更多射頻頻段的需求，以及不斷增加的無線帶寬對射頻前端設計要求的提高。這意味著手機廠商需要著重致力于在控制成本膨脹而產(chǎn)品體積受限的情況下設計出更高性能的射頻前端。

三臺設備在每次移動網(wǎng)絡迭代支持的無線頻段數(shù)量

一直以來，射頻方面的復雜性及其帶來的設計挑戰(zhàn)在產(chǎn)品宣傳中被隱藏起來不為消費者所知。因為這些復雜性會使產(chǎn)品信息變得模糊不清。智能手機用戶不需要也不想了解這種不斷增加的復雜性；他們希望無論住在哪里，自己的手機都能隨時隨地正常工作。

為什么一定要如此復雜？

為實現(xiàn)網(wǎng)絡迭代和用戶體驗的數(shù)量級提升，更多的無線頻譜被啟用。但一個不可忽視的現(xiàn)實是，射頻前端設計不能隨著對手機無線需求的增加而同步擴展。因為頻譜是一種稀缺資源，政府不得不對射頻頻譜進行配給，造成了今天大多數(shù)蜂窩網(wǎng)絡無法滿足5G的預期需求的局面。毫米波技術是一種解決方案，但它的傳播效果并不理想，所以射頻設計者不能僅僅依靠它來解決頻譜緊張的問題。他們需要在消費級設備上實現(xiàn)前所未有的射頻組合支持及構建具有最佳兼容性的蜂窩無線設計。

從Sub-6GHz到毫米波，所有可用的頻譜必須在最新的射頻和天線設計中得到利用和支持。而且由于頻譜資源的不一致，頻分雙工和時分雙工的功能都必須集成在一個射頻前端設計中。另外，載波聚合通過綁定不同頻率的頻譜來增加虛擬管道帶寬，也提升了對射頻前端的要求和復雜程度。

此外，無線局域網(wǎng)和Wi-Fi不斷演進的功能又增加了一層復雜性，因為蜂窩和Wi-Fi信號必須保持分離，否則就會出現(xiàn)大量射頻干擾的風險。最新的Wi-Fi 6E標準已引入6GHz的頻譜。因此，射頻前端必須有先進的過濾技術以避免射頻信號的重疊。

智能手機的射頻前端設計因為5G帶來的射頻要求指數(shù)級增長而變得如此復雜。如今的消費者可以期待廠商解決所有這些射頻挑戰(zhàn)，但并不能完全了解這種復雜程度是如何演變過來的。從另一個方面來說，如果要實現(xiàn)普及5G的承諾，射頻前端設計的復雜性是無法避免的。

當前5G手機射頻前端的設計

當前射頻設計的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在許多方面。最新的旗艦設備中的實體天線數(shù)量從典型的3或4根大幅

提升到12根以上；這還不包括毫米波天線模組。下圖標明了當前設計中不斷增加的天線數(shù)量需求，以及需要額外加入的毫米波天線。

左圖：Realme GT中對應中框位置上的一組Sub-6GHz柔性基板天線。

右圖：三星Galaxy A42中發(fā)現(xiàn)的包含兩個毫米波天線模組的天線陣列。

從4G發(fā)展到5G，需要更多的天線來支持4x4 MIMO天線，并覆蓋Sub-6GHz下從600MHz到7GHz的各個頻率。天線調諧器的使用有助于將現(xiàn)有天線重新用于多個頻率以減少實體天線的數(shù)量，即使這樣幫助很大，但5G的非獨立組網(wǎng)需要數(shù)以萬計的載波聚合組合，而毫米波頻譜的特殊性需要多個無線電鏈。這無疑增加了射頻前端的元器件數(shù)量、成本和復雜程度。在5G智能手機中，很難逃避5G射頻前端設計中不斷增長和演進的需求；業(yè)界能做的最好的事情就是管控這種復雜性。

在智能手機中的射頻前端應對射頻需求的指數(shù)級增長的同時，射頻前端部分也被要求減少在設備中的空間占用。換句話說，射頻前端處在進退兩難的境地，需要盡量平衡這兩個相互矛盾的需求。那么，5G的射頻前端如何在提升性能的同時保持結構緊湊？答案是通過電子集成技術。下圖是一個作為接收信號的射頻接收路徑或鏈接的前端模組圖片。在5G智能手機中印刷電路板的空間非常有限，模組有助于縮小印刷電路板上電子元器件的尺寸。

一款模塊化的射頻前端元器件；封裝尺寸為 6.5 毫米 x 5.4 毫米

射頻前端始于天線，途徑射頻收發(fā)器，結束于調制解調器。除此之外還有很多射頻技術應用在天線和調制解調器之間。下圖簡化說明了一部最新5G手機設計中的各種射頻元器件。對于這些元器件的供應商來說，5G提供了一個擴大市場的黃金機會，因為射頻前端內容的增長與射頻復雜性的提升成正比。

三星Galaxy S21的5G射頻前端的簡化示意圖。綠色方框表示射頻元器件；橙色表示毫米波天線模組，其中包含收發(fā)器、電源管理和相控陣天線。

例如，射頻濾波器的市場預計會在5G射頻前端市場中經(jīng)歷最高的增長率，因為支持更多的無線頻率意味著需要過濾更多的無線頻率。博通、Qorvo、Skyworks Solutions、村田和高通等射頻元器件制造商都將從這一增長市場中獲益。

然而，能在5G手機中提供這些射頻前端元器件只是一方面，而提供解決方案來應對射頻設計的復雜性并使系統(tǒng)可靠運行則完全是另外一回事。為了滿足這一新興的市場需求，傳統(tǒng)的芯片制造商高通公司已經(jīng)將射頻元器件和技術方案組合在一起，為智能手機制造商提供一個成熟的調制解調器到天線的射頻解決方案。這種新穎的策略為終端生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大的價值，因為并非所有手機制造商都愿意投入大量的射頻工程資源來設計自己的射頻前端。

本文探討了自4G LTE誕生以來，射頻前端設計復雜程度的演變，以及驅使這種復雜性背后的原因。在本系列的下兩篇文章中，我們將繼續(xù)揭開這一領域的關鍵技術，并著重描述隨著5G技術成熟為射頻元件制造商帶來的新機遇。

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