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5G商用的集结号已经吹响,射频终端还有很多挑战


作者:RF技术社区 来源:与非网 2019-07-10 15:17:15 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要:射频前端模块中,滤波器起着至关重要的作用,它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。

关键词:5G商用[23篇]  射频终端[1篇]  

2019年的MWC上,各大手机厂商纷纷展示了自己的5G手机。虽然这些手机离我们的生活尚远,但是5G商用的集结号已经吹响了。

根据3GPP的官宣,首批5G网络部署所使用的R15 NR NSA与R15 NR SA规范已经成熟,可为全球早期的5G部署计划提供稳定的基础。手机厂商们纷纷厉兵秣马,开启5G终端的研发。这其中,5G射频前端要克服的技术挑战,引发了整个行业的关注。

5G带来的技术挑战

3GPP组织划分了两个5G频率范围,频率范围1 (FR1)涵盖6GHz以下的频率,包括3GHz以上的新频段(如n77、n78和n79),以及重新分配的LTE频段(如n41)。频率范围2 (FR2)目前包括24 GHz和39 GHz之间的mmWave频段(n257、n258和 n260)。

作为一个重大的技术进步,5G标准给RF前端带来了一系列的挑战:

l 前所未有的带宽,FR1的载波带宽高达100MHz,FR2的载波带宽高达400 MHz。

l 基站需要大规模MIMO和波束控制,以提供数千兆的数据速率。

l 海量带宽和新波形将产生非常高的峰值功率比,并需要高线性度。

这些反映在5G手机中,就是单部手机的射频半导体用量达到25美金,相比4G手机近乎翻倍增长。其中,滤波器从40个增加至70个,频带从15个增加至30个,接收机发射机滤波器从30个增加至75个,射频开关从10个增加至30个,载波聚合从5个增加至200个。

据介绍,5G 规范规定手机必须支持1GHz以上频段的四个下行链路路径,以实现更高的数据速率。这需要4根天线和4个独立的RF通道。对于许多手机而言,这种改变意味着大幅增加RF内容、信号路由复杂性和天线带宽。

除此之外,其他组件也在不断扩张地盘,抢占RF前端的空间。Qorvo公司手机事业部高级销售经理赵玉龙就告诉集微网记者,随着智能手机对照相性能的要求越来越高,摄像头模组会挤占越来越多的PCB空间,这就要求RF前端集成度更高,体积更小。而这种趋势在今年发布的旗舰手机上尤为明显。

Qorvo公司手机事业部高级销售经理赵玉龙

因此,在分配给RF前端的拥挤空间内挤入更多内容将极具挑战性,并且需要高度集成的解决方案来尽可能缩减解决方案尺寸并提高性能。

滤波器的发展空间

射频前端模块中,滤波器起着至关重要的作用,它可以将带外干扰和噪声滤除以满足射频系统和通讯协议对于信噪比的需求。

在5G时代,单个设备中的滤波器数量会大幅增加。同时,引入MIMO、载波聚合等技术,对滤波器性能的要求不断提高。解决之道就是将滤波器与PA、开关等射频器件进行整合,向模块化、集成化和整体射频解决方案的方向发展。

射频滤波器最主要的指标包括品质因数Q和插入损耗。Q越大,则滤波器可以实现更好的带外抑制,也就是说可以实现较好的选择性;插入损耗则是指通带信号被滤波器的衰减,即信号功率损耗。SAW/BAW滤波器凭借优良频带选择性、高Q值、低插入损耗等特性成为射频滤波器的主流技术。

SAW滤波器一般只适用于1.5GHz以下的应用,另外它也易受温度变化的影响。高于1.5GHz时,BAW滤波器更具有性能优势。同时,BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使它非常适合要求非常苛刻的高频应用。此外,即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也不那么敏感,具有功率容量大、极低的损耗和带外衰减大(steep filter skirts)等优点。“而且,5G手机中使用的天线复用器,每一个通道会对应一个BAW。” 赵玉龙表示。

Qorvo目前拥有完整的SAW/BAW滤波器组合。未来BAW的发展形势会很好,但是SAW也会有自己的用武之地。最终选择,就要看客户的需求了。

不只是RF前端,天线的空间也将变得非常珍贵。为了支持MIMO、范围更广泛的频段和要求,5G智能手机的天线会从4个增加到8个,或者更多个。与此同时,随着手机行业转而采用全屏智能手机设计,放置手机天线的边框区域会缩小,因此天线可用的空间实际上也会缩小。需要在更小的空间内安装更多的天线就意味着天线的尺寸必须缩小,因此天线的效率会降低。

手机厂商会采用两种方式来解决天线问题。办法一:使用天线调谐,可以将每根天线都调谐到工作频段,使它更加高效。对于5G手机,鉴于其天线数量有限,且必须支持更广的频率范围,因此必须使用天线调谐来维持性能。办法二:天线复用器(antennaplex)。天线复用器利用单个模块覆盖多个频率,使得多条RF通道可以同时连接至天线,同时防止通道之间的干扰。天线复用器目前被有些 LTE 手机用于路由CA信号,但它将会成为5G手机不可缺少的组件,用于支持 15 版和之后版本的规范所定义的海量双连接CA选项。

5G手机可能使用多天线的天线调谐解决方案,包括两种方法:孔径调谐(Aperture tuning)对于优化多频段天线效率以及补偿环境影响尤为重要;阻抗调谐(Impedance tuning)通过降低由于阻抗不匹配而从天线反射的功率来增加总辐射功率。作为移动天线调谐解决方案的行业领导者,Qorvo拥有多种基于低损耗开关的孔径和阻抗调谐产品,可提供优异的导通电阻和关断电容性能。

除去滤波器和天线调谐器,在PA方面,Qorvo也拥有包括CMOS、SOI、砷化镓和氮化镓在内的全面产品线。基于这些产品,Qorvo能够为客户提供满足不同场景需求的产品。

产品的比拼只是一个方面,基于从2G时代开始的经验积累,Qorvo在对系统方面的理解力也是其他很多厂商所不具备的。赵玉龙就表示:“Qorvo已经做好了准备,将与手机厂商一起,用丰富的经验和技术储备帮助他们把5G终端快速推向市场。”

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