RF產(chǎn)業(yè)中的公司名人堂以及他們將如何受到5G發(fā)展的影響；

 

圖1、RF產(chǎn)業(yè)中的公司名人堂

 

雖然移動行業(yè)此前已經(jīng)完成了在巴塞羅那舉行的年度移動世界大會愛情般的狂歡活動，但高科技供應商，系統(tǒng)原始設備制造商和移動運營商所面臨著現(xiàn)在尚未真正解決5G發(fā)展障礙的問題。事實上，這些發(fā)展障礙才剛剛開始。

 

圖2、高頻毫米波和低頻電波的傳播損耗對比

 

5G發(fā)展的技術問題是多方面的。其中，用于5G毫米波（通常預計工作頻率為28 GHz，39 GHz或60 GHz）的智能天線和射頻前端可能嚴重影響尚未出現(xiàn)的5G mmWave（毫米波）手機的性能。

 

圖3、5G生態(tài)系統(tǒng)

 

從移動世界大會回來后，市場研究公司（YoleDéveloppement）的射頻（RF）電子業(yè)務負責人Claire Troadec告訴我們：“盡管許多公司如高通，英特爾，聯(lián)發(fā)科和三星都在使用手機原型作為5G mmWave（毫米波）的演示平臺，但我們不相信目前手機將成為5G mmWave（毫米波）的首選應用終端形態(tài)。相比之下，5G毫米波將更加可能成為桌面或者桌面上的固定式數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的選擇，以便消費者可以下載或者傳輸大規(guī)模流式寬帶應用”。

 

圖4、高通的5G 毫米波原型樣機

 

為什么這樣？

 

鑒于5G的mmWave（毫米波）頻段的高傳播損耗，方向性和對阻塞的敏感性而在業(yè)界工程師看來臭名昭著，困難重重，設計一款始終工作而不會丟失信號的5G手機并不是一件容易的事。消費者可能會被迫停留在某頁字面上或者某幅圖片上，系統(tǒng)轉而需要尋找其它頻段的信號。

 

圖5、5G在韓國冬奧會中得到應用

 

在移動手機中部署5G毫米波無線電的另一個挑戰(zhàn)是電池的壽命和耗電問題。在平昌2018年冬季奧運期間，三星相信已經(jīng)展示了自己的5G平板電腦。雖然它運行良好，但是在移動世界大會圍繞這個酷炫的應用卻是一個驚人的警告：電池在30分鐘后就沒電了。

 

圖6、智能手機需要支持的頻段數(shù)越來越多

 

當被問到這個傳聞時，Yole的Troadec說她認為“手機5G mmWave（毫米波）廣播信號傳輸時有具有很高的能耗的問題。”她懷疑“大多數(shù)廠商的領導人都在廣泛地關注這個領域。”但她補充說，她發(fā)現(xiàn)這些技術供應商可能會為5G新無線電（5G New Radio）應用中這個明顯有問題的系統(tǒng)級功耗問題提出了一些補救措施。她說，沒有人愿意在展會上進一步討論這個問題，大家都在有意回避這個問題。

 

圖7、28GHz 上行鏈路預算

 

5G mmWave（毫米波）的RF（射頻）模塊將給新興5G市場帶來的干擾并不局限于技術的變化。深受影響的是目前供應3G和4G射頻組件和模塊的供應鏈中的供應商們。

 

圖8、28GHz 下行鏈路預算表

 

由于5G mmWave（毫米波）可能允許供應商使用CMOS或者SOI技術在SoC中設計射頻前端模塊，因此該領域將為面向目前在手機生態(tài)系統(tǒng)架構中的“先進CMOS設計和制造廠商”進軍射頻市場敞開大門。除了英特爾和高通之外，具有進軍這一領域的候選人還包括三星，華為和聯(lián)發(fā)科。

 

更多的頻段，更多的射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）

 

隨著技術供應商與能夠處理越來越多數(shù)量的頻段的復雜RF前端（RFFE，RF front ends）模塊搏斗，移動行業(yè)取得了長足的進步。根據(jù)Troadec的說法，隨著蜂窩標準從3G發(fā)展到4G，RF前端必須應對的頻段數(shù)量從4個增加到了30個。

 

 

圖9、終端射頻前端的設計越來越復雜

 

智能手機中支持的頻段數(shù)量的增加只會增加射頻前端的復雜性。

 

但隨著5G技術和應用逐漸上線，事情將變得更加復雜。雖然理論上5G是一個單一的標準，但它有三個主要的要素：5G支持的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用，使用sub-6 GHz頻段的5G以及使用mmWave（毫米波）的5G。在射頻技術方面，Troadec觀察到“這意味著將需要非常不相似的性能的技術一起匯集在一種設備中”。

 

圖10、智能手機的發(fā)貨量越來越大

 

這意味著5G將遵循“不同的實施階段，不同的5G版本并行開發(fā)”。換句話說，不會有單一的，統(tǒng)一的5G 射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends），而是“5G IoT，5G sub-6 GHz和5GmmWave（毫米波）將遵循他們自己的發(fā)展路徑，并用它們各自的RF SiP開發(fā)創(chuàng)建并行的生態(tài)系統(tǒng)，“她說。

 

圖11、射頻前端產(chǎn)業(yè)鏈中的主要玩家

 

當被要求評估每種5G技術的不同射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）的研究路徑時，Troadec說她看到5G mmWave（毫米波）技術帶來了最具顛覆性的創(chuàng)新。她預計5G mmWave（毫米波）需要重新更改設計和采用新材料。

 

好消息是，5G mmWave（毫米波）可以終結目前用于2G，3G和4G射頻前端系統(tǒng)中的基于系統(tǒng)級封裝（SiP，System-in-Package ）技術的復雜的前端模塊的實踐。 “您可以根據(jù)先進的CMOS或SOI技術設計每個構建模塊 - 包括功率放大器，低噪聲放大器，濾波器，開關和無源器件，”Troadec解釋說。這將為許多以前幾乎沒有無線電專業(yè)知識的數(shù)字芯片供應商提供開發(fā)SoC前端模塊的機會。

 

圖12、Beamforming在5G網(wǎng)絡中有重要的應用

 

同時，對于在6 GHz以下頻段中的5G技術，Troadec認為它將建立在漸進式創(chuàng)新之上。她解釋說，在這個頻段上預計目前的射頻封裝架構的修改只需在物料清單（BoM，bill of materials）中做出最少的更改即可。

 

由于5G 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）將使用低于1 GHz 頻段的頻率，因此Troadec認為在這個頻段5G 射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）的半導體封裝所需的“很少或者幾乎沒有創(chuàng)新”。盡管如此，旨在解決由許多物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備生成的數(shù)據(jù)的傳輸問題的5G 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）規(guī)范和協(xié)議尚未完成定義和標準化。

 

圖13、不同口味的5G技術正在并行發(fā)展

 

今天的射頻（RF）器件或者組件供應鏈中的名人堂

 

在深入研究5G中的詳細的射頻（RF）解決方案之前，讓我們先仔細研究當前的RF組件和模塊供應商。

 

通常，射頻（RF）前端模塊是由諸如RF開關，功率放大器（PA）/低噪聲放大器（LNA），RF濾波器和天線裝置（調(diào)諧器和開關）之類的射頻（RF）器件組件組成的。

 

圖14、5G用戶終端中電路的功能劃分

 

射頻（RF）前端模塊擁擠的供應鏈中的主要廠商包括：索尼，Murata（2014年末收購Peregrin Semiconductor），Skyworks，Qorvo，英飛凌，Broadcom（博通） / Avago，Cavendish Kinetics，TDK EPCOS，高通，海思等。

 

圖15、一個智能手機的典型結構

 

每家公司都有自己的特殊射頻（RF）部件，這些部件通常需要部署各種襯底和工藝技術。他們的工藝技術選擇范圍從RF-SOI和BiCMOS到批量CMOS，GaN和RF MEMS等。

 

圖16、智能手機的Beamforming

 

由于不同類型RF組件采用了多種工藝技術，因此今天射頻（RF）模塊的集成路徑選擇是SiP形式，而不是SoC形式。

 

圖17、5G網(wǎng)絡中的Beamforming技術

 

今天，對于2G，3G，4G和5G 6 GHz以下頻段（針對6 GHz以下的所有頻段）的頻段，“滿足智能手機中的嚴格的無線電性能要求將只有SiP技術這一個方法，“Troadec證實。

 

圖18、智能手機中的功能布局

 

目前沒有任何單一的射頻（RF）組件供應商擁有一切最好的技術。 Troadec解釋說，在RF前端集成中，“每個構建模塊都需要非常專用的技術：使用GaAs技術的最佳PA，使用SOI技術的最佳開關，使用SAW和BAW技術的最佳濾波器以及使用SiGe技術的最佳LNA等。”

 

當被問及是誰會為射頻前端模塊提供SiP技術時，Troadec表示：“Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks和TDK / Qualcomm是今天唯一能夠提供SiP工藝技術的廠商。”

 

她解釋說，每種產(chǎn)品都有自己的特性要求，例如高頻模塊，中頻模塊，低頻模塊和多樣化接收模塊要么采用PAMiD集成形式（高度集成的定制模塊，性能驅動但帶有強大功能因此僅限于蘋果，三星，華為等玩家）要么采用FEMiD集成形式（在性能和成本方面提供良好折中，并受到LG和中國手機玩家等二線智能手機制造商的青睞）。

 

圖19、5G系統(tǒng)中涉及到的關鍵技術

 

“我們確實看到只有少數(shù)公司能夠在這種高技術混合的環(huán)境中發(fā)揮作用，”她總結道。

 

幾個GHz頻段以內(nèi)的5G：仍然采用的是SiP方法

 

隨著蜂窩產(chǎn)業(yè)向5G方向發(fā)展，對于GHz級的5G的射頻前端模塊而言，同樣的原則（即采用SiP集成方法）仍將繼續(xù)存在。

 

圖20、SiP技術在5G時代中可能的應用

 

但據(jù)Yole稱，就SiP和封裝內(nèi)部的更多集成而言，將會有一些變化。 Troadec解釋說，這些新措施包括基于SOI平臺在同一芯片（die）上集成LNA和開關，以及更多用于濾波器的晶圓級封裝以獲得裸片尺寸收益（例如，今天只有Broadcom（博通）采用這種方法，而Qorvo正在開發(fā)這種方法）。此外，晶圓級方法將適用于封裝功率放大器（今天仍然采用導線連接）以獲得裸片（die）尺寸收益。

 

5G mmWave（毫米波）：從SiP到SoC

 

5G mmWave（毫米波）射頻前端模塊毫無疑問將會徹底改變最復雜的RF（射頻）組件/模塊供應鏈。通過使用不同的工藝技術制造了大量復雜的RF（射頻）組件。相反，即將出現(xiàn)的是基于先進CMOS或者SOI技術實現(xiàn)的SoC中實現(xiàn)mmWave（毫米波）前端模塊的可能性。

 

5G mmWave（毫米波）可以在SoC中設計RF（射頻）模塊的原因有很多。

 

首先，5G mmWave（毫米波）意味著移動到可用的超帶寬頻譜區(qū)域，Troadec解釋說。 “因此，我們不需要很多離散的頻段來發(fā)送信息。因此射頻收發(fā)信機的架構可以簡單得多。“

 

結果，這也降低了對濾波器技術的限制，她解釋說。 “我們不需要在模塊中進行高端濾波。”然而，她警告說，“我們需要在不同無線電技術（4G或者低于6 GHz 的5G以及5G 毫米波）之間切換的先進的開關技術（高隔離度，高線性） “。

 

她還指出，在4G中，“我們使用每頻段20 MHz信號帶寬的載波聚合（carrier aggregation），并且使用了多個頻段。因此，我們需要先進的高端濾波器技術（陡峭的抑制曲線）來區(qū)分每個頻段中的每個信號。而今天只有BAW（FBAR）器件技術（MEMS技術）能夠滿足這種要求。“

 

另一個重要因素是5G mmWave（毫米波）將采用波束成形技術，允許它對波束進行成形，以同時向多個用戶發(fā)送信息。 “這將降低功率放大器功率發(fā)射的限制和要求。這反過來又意味著CMOS技術可以發(fā)揮作用。“她補充說：”在mmWave（毫米波）頻率下，電感變小；因此，將無源器件與CMOS / SOI技術集成在一起成為可能。“

 

然而，Troadec重申，對于5G mmWave（毫米波）射頻模塊來說，一個限制因素似乎是整個系統(tǒng)的功耗。 “為什么我們需要澄清這件事情？因為它對毫米波的可以用性的影響實在太大了；但到到目前為止，沒有人愿意從技術上告訴我們?yōu)槭裁磿@樣，以及我們需要做什么”來解決這個問題。

 

新進入射頻器件領域的玩家

 

一旦行業(yè)轉向使用CMOS或者SOI技術來在SoC中設計5G mmWave（毫米波）射頻前端模塊，目前的射頻前端器件領域將從看似舒適的RF前端模塊供應商俱樂部（如Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks，以及TDK /高通）將會發(fā)生變化。

 

圖21、5G生態(tài)系統(tǒng)中的主要玩家

 

Troadec指出，英特爾和高通已經(jīng)進入調(diào)制解調(diào)器和手機收發(fā)信機業(yè)務。他們非常有希望掌握無線射頻領域，以提供端到端的解決方案。這些公司的目標是“射頻產(chǎn)業(yè)鏈從到A到Z的完整的內(nèi)部設計”，她說。

 

假如Broadcom（博通）收購了Qualcomm（高通）公司......

 

在Broadcom（博通）和Qualcomm（高通）公司的各種產(chǎn)品和技術領域，手機市場是這兩大巨頭互補業(yè)務的市場。 Troadec觀察到Broadcom（博通）在無線和Wi-Fi領域，而Qualcomm（高通）在應用處理器單元，調(diào)制解調(diào)器，收發(fā)信機，Wi-Fi / BT，再加上恩智浦（NXP）的NFC以及他們的微控制器（Microcontroller）方面具有很高的地位。

 

圖22、高通推動5G射頻供應鏈的整合變化

 

現(xiàn)在Qualcomm（高通）公司在5G mmWave（毫米波）領域獲得了強大的技術牽引力，而Qualcomm（高通）則專注于低于6GHz的技術解決方案，Troadec表示，如果沒有被美國總統(tǒng)阻止，Broadcom（博通）和Qualcomm（高通）的合并“將會產(chǎn)生非常高的壟斷。”她懷疑，“這就是為什么我們看到英特爾（Intel）變得害怕，并試圖進入這個收購討論，甚至放話要收購Broadcom（博通）。”

 

來自：萬物云聯(lián)網(wǎng)。

 

 

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