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[原创] 5G射频前端有多难,你真的知道吗?

半导体行业观察 ·2018-04-27 09:22·半导体行业观察
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从3GPP定义的5G的三个应用场景,还有5G高速、低延时的特性看来,射频前端无疑是5G普及的一大障碍。尤其是去年完成的5G NR NSA(非独立组网),对于射频前端的供应商来说,挑战更是巨大。


尤其是去年在独立组网(SA)的基础上新定义了一个NSA(非独立组网)之后,对于射频前端的供应商来说,挑战更是巨大。


5G的三大应用场景


在日前的一场由易维讯举办的ICT媒体会上,Qorvo亚太区移动事业部市场战略高级经理陶镇直言了5G给射频带来的挑战,同时他还强调了非独立组网对射频前端带来的新影响。


他表示,在独立组网的时候,核心网、接入网、数据链网都是基于5G-NR而准备的,虽然投入巨大,但是不会面对那么多兼容的问题。但是非独立组网是依靠LTE作为核心网,也就是说所有的语音通信层面、控制层都是都是LTE上完成,而数据层面走的则是5G NR。那就意味着在射频前端,你必须首先要有一个支持LTE的通道,另外,无论是在哪一个频段,还必须要有一个5G的通道在同时上下行工作,因为这会带来一些互干扰的问题,因此对Qorvo这些射频供应商来说,这是一个非常大的挑战。


5G射频前端的难

在陶镇看来,相对于之前的4G,5G给射频前端供应商带来的挑战是多方面的,首先体现在带宽上面:


众所周知,受限于LTE本身的特性,LTE带宽最高只有20兆,但到了5G,带宽可以达到100兆,到了毫米波更是能达到400兆的带宽。也就是说单个信道甚至需要支持400兆的带宽。从PA的角度来说,这个难度相当相当大。


第二个是波形;


陶镇介绍,无论是CDMA还是WCDMA,其最大的问题就在于PA的设计,因为这些制式的PA都是属于线性化的设计,因此需要考虑很多线性指标,而线性指标最重要的因素来自于数的波形是什么样子。为此,在5G则定义了CP-OFDM。


相比较标准的LTE,CP-OFDM的波形最大的区别在于SCDMA很高,对PA来说,就是峰均比更高,这时PA需要更宽、更高的线性设计,这也是对比于4G,5G射频器件最需要提高性能的地方。

最后,从系统架构的角度看,因为5G需要更快速的速率,那就需要更多的MIMO。在4G LTE时代,已经做到了4个下行链路,也就是4×4的MIMO。到2019年,5G的4×4下行MIMO或者是上行2×10的MIMO可能会成为一个标准,届时你必须要支持四个下行链路的和两个上行链路,这对射频前端的设计也是一种挑战。由于现在有了SA和NSA两种不同的组网方式,对射频前端来说,更多的挑战也随之而来。按照陶镇的说法,这些挑战可以从频段、模式、信号路径、开关切换的速度这几个维度考虑:


首先是频谱,因为5G需要更多的频谱,意味着你必须要有更多的支持新的频段前端器件,或者原来4G频谱的设备件必须要更高的支持5G的标准。


第二是模式,引入新的波形CF-OFDM,带宽变宽了,子载波的间隔变宽了,这就需要新的射频半导体,尤其是PA的重新设计。


第三是信号,也就是说4G,5G信号的共存和互干扰方面需要做到更好的设计。这就需要更快的开放切换速度。


在陶镇看来,虽然目前的eMBB场景不需要低时延,但是在未来5G的第三个场景(uRLLC)需要开关切换速度相当快。他表示,针对n77、n78、n79,3.5G、4.8G这些新的频谱,必然需要新的设备前端器件。除此以外,系统架构方面也会带来更多的天线分工器以及天线调谐的功能,这也会给射频设计厂商带来新要求。


另外,因为手机在设计的过程中,不但需要考虑蜂窝式的通信,考虑5G、4G、3G的兼容,同时还要考虑与wifi和GPS等器件的共组性问题。也就是说除了单器件的设备问题,在系统架构性方面你需要考虑更多的前端架构是怎样实现,例如你需要几根天线做什么样的天线分工。这就是5G射频前端复杂的原因,陶镇强调。


Qorvo的应对之法

面对5G射频前端的这些困难,作为射频前端解决方案的代表厂商之一,Qorvo一直在深耕其中,并取得了不错的成果。


陶镇告诉记者,由RFMD 和TriQuint合并而成Qorvo集合了双方的优势,使他们成为了一个在基础设施和终端射频半导体器件有丰富经验和广泛产品线的公司。而为了解决5G视频前端的问题,他们做了以下操作:


首先,面向5G智能手机这一块,无论是走独立组网还是非独立组网,Qorvo都已经在技术和支持的角度做好了准备。在今年2月份,Qorvo还应邀加入了中国移动的5G先行者计划,按照计划规定,各方将通力合作,于2018年底前推出首批符合中国移动需求的5G芯片,2019年上半年发布首批5G预商用终端,包括数据类终端、智能手机等产品


而Qorvo公司本身的目标就是在2019年上半年正式量产5G 射频半导体产品,到时就可以配合国内的主要手机厂商和运营商,推行5G在2019年下半年至2020年上半年器件正式商用。为了达成这个目标,Qorvo过去几年一直在循序渐进地推进其计划。


据陶镇介绍,Qorvo在2017年就开发了一款基于5G NR新标准的射频前端模块,这个模块涵括了功率放大器、开关、带通滤波器和LNA。按照他的说法,这个模块并不是真正的商用化产品,而是他们为了推动标准化3GPP的制定。推出的目的是为了推动整个芯片公司前景,让产业链更好的完成标准化的制定,这个前端模块就是QM19000。据了解,这是业界首个面向Sub-6 GHz 的5G射频前端模块,基于其高度集成和高性能的配置,可实现高线性度、超低延迟和极高吞吐量,满足或超越未来5G应用的开发需求。


陶镇继续指出,新通信标准下的天线分工器有不同频段和不同功能性的组合,所以在未来5G的智能手机里,天线的分工将会是占比相当大的设备器件,这将会是伴随着5G衍生起来的新设备前端器件。除此以外,因为你的天线越来越多,但你还是希望手机上只用一根天线来覆盖更宽的范围,那就意味着5G时代的天线调谐技术相比较4G时代会用的更加多。还有毫米波带来的困扰。


对于Qorvo这些射频厂商来说,更多的挑战在前面等着他们。


文/半导体行业观察 李寿鹏

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1570期内容,欢迎关注。

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