布板面积趋紧 集成化方案成5G射频前端发展方向

2018年是5G技术奠基的一年，在这一年当中关于5G的众多标准纷纷确立，包括频段、5G NR（5G新空口）、SA（独立组网）、NSA（非独立组网）等，这些标准的确立，都为5G落地商业化铺平了道路，加速5G技术的发展进度。同时与4G及前几代通讯技术相比，由于频段更广、峰均比更大、传输速率更快等因素，都对5G射频前端提出了更高的要求。

5G技术对射频前端所带来的挑战是多方面的，从目前的无线应用状态来看，5G以下的频段已拥挤不堪，而高频段的5G资源也将成为未来厂商们竞相追逐的目标，同时高频段也带来了新的通信波段，即毫米波。由于手机天线尺寸与波长为正相关，可以得出相应天线尺寸在毫米波时代将变得更小，因此理论上设备中可以集成更多的天线单元，但这些天线单元需要用同等数量的射频连接线与之相连，这意味着通路上射频前端器件用量会急剧增多。在一方面需要用这么多的天线来保证通信质量及稳定性，另一方面，增多的射频器件也会进一步拉高成本。如何降低成本，让射频天线更多的运用到手机当中，成为许多厂商思考的问题。

“基站和终端设备／智能手机的天线数量将随着5G的发展而增加。天线数量增加时，每个天线元件的尺寸随频率的增加而减小，从而使阵列设计的集成度更高。基站和智能手机／终端设备的设计均采用高度集成的天线和数量最少的连接器，同时支持数字和混合波束成形技术。”MACOM技术、射频功率工程和应用领域的杰出研究员Walter Honcharenko在接受《华强电子》记者采访时表示：“通过开发集成组件和阵列，可以把连接器的数量减至最低，这可以降低成本并减少损耗，进而延长电池寿命并减轻重量。在构建多元件阵列方面，MACOM拥有丰富的相控阵列设计经验以及生产管理和器件成本控制经验。目前，MACOM 正在运用其专业技术为客户提供工程支持，在射频电路和天线阵列之间建设低成本、低损耗的互联电路。”

Qorvo移动事业部应用工程师高级经理Anson Zhang对记者表示：“5G会用到4x4 MIMO， 也就是每一个5G的频段都要用到4根天线。这首先是一个天线能不能放得下的问题，其次是成本增加的问题。Qorvo致力于解决复杂的射频前端问题，比如开发天线合路器把不同制式、不同频段合成到一根天线上以减少天线的数量，同时不断地做进一步集成以减少器件的数量。”

对于Walter Honcharenko及Anson Zhang的观点，紫光展锐高级市场经理贾智博表示可以从供应链、架构及制作工艺方面着手，他认为：“射频前端从2G到5G手机上的比重在不断增加，这是客观现实。从我们既有的经验来看，成本控制是系统性的，首先要在保证质量的前提下，对供应链进行科学的管控；其次是通过架构创新、产品升级、工艺技术提升来改善成本结构。”

相比MACOM、Qorvo、紫光展锐等高管的看法，Qualcomm Incorporated总裁克里斯蒂安诺·阿蒙提供了另一种解决方案，他表示：“Qualcomm Technologies一直不断探索革新移动体验的方式，在2018年六月份推出了面向智能手机和其他移动终端的商用5G新空口毫米波天线模组和6GHz以下射频模组，这是移动行业的一个重要里程碑。Qualcomm Technologies在5G领域的前瞻性投入让我们得以为行业提供曾被认为无法实现的移动毫米波解决方案，以及全集成的6GHz以下射频解决方案。”

无疑，在5G更高频段中，由于所对应天线尺寸的相对缩小，可以把足够多的天线塞入设备当中以保证通信的稳定可靠性，把多根天线进行合成，减少天线连接器，建立低成本、低损耗的互联电路，同时对供应链的优化，对架构以及产品、工艺技术的升级都可以有效改善成本结构。

天线的不断增多固然能够保证5G信号的稳定接收，但这也带来了一个矛盾，持续增加的射频前端数量和PCB板可用面积趋紧之间的矛盾，这促使了射频前端模块组化的发展。以三星手机为例，从历代三星手机的拆解中就可以发现，手机内部射频元件密度不断上升，但射频区域占PCB板的面积却持续缩减。

面对当前产生的矛盾，Anson Zhang表示：“在5G时代，布板面积确实是一个很大的挑战。模块化的实现将会是5G射频前端的发展趋势，集成包括功率放大器，滤波器，射频开关，低噪声放大器等等。不断缩小的单个晶圆尺寸，包括功率放大器和滤波器，以及晶圆级封装技术都将推动高集成模块化的设计。Qorvo一直致力于射频前端的模块化发展并不断推动各个功能模块的集成，无论是技术和产品都一直走在前列。Qorvo拥有功放、滤波器、开关等所有的工艺和技术，这也为集成方案打下了非常扎实的基础。”

技术的发展有时是趋同的，MACOM对于此矛盾的解决方案与Qorvo保持一致，Walter Honcharenko认为：“MACOM敏锐地意识到5G基站给硬件设计人员带来了规格限制的挑战。在设计射频前端时，必须考虑有限的PCB封装、散热、功率和重量目标等因素。这些限制的本质将促使行业转向更高效、集成度更高的小尺寸模块发展。MACOM拥有广泛的器件产品组合，均可集成到各频段模块中。MACOM 为某些频段和用例提供定制设计服务，同时也供应其他标准类模块产品。”

高通是通过提供集成化的射频模组，来解决目前天线与布局之间的困境，克里斯蒂安诺·阿蒙表示：“我们致力于让OEM厂商在打造5G智能手机的外形方案时，拥有更广阔的想象空间和设计自由，而这正通过Qualcomm Technologies在5G新空口毫米波模组小型化方面的突破性创新得以实现。最新推出的毫米波天线模组，比2018年7月发布的首批QTM052毫米波天线模组小25％，旨在满足计划在2019年推出5G新空口智能手机和移动终端的制造商对于终端尺寸的严苛要求。借助这些更小型的天线模组，OEM厂商可以更从容地设计天线布局，更自如、灵活地打造他们的5G毫米波产品。”

集成化成为目前大多数厂商解决设备内部空间与天线数量增多矛盾的技术发展方向，把众多射频器件放在一起形成射频模组也是未来主流的方案，同时射频器件集成模块化也带来了器件的需求数量和复杂程度提升，这也带动射频前端器件市场快速增长。

（作者：黄山明）