5G手机中的射频前端设计解析

十年前，蜂窝设备的射频 (RF) 设计开始发生根本性变化，这将为当前射频前端的复杂性铺平道路 - 调制解调器和天线之间的智能手机部分。世界正在经历从多种支离破碎的 3G 全球蜂窝技术到统一的 4G 无线标准的重大转变，该标准被称为长期演进或 LTE。这是改善蜂窝通信以最佳利用无线电频谱的漫长旅程的第一步。 4G LTE 的出现需要一套新的无线技术来利用可用的蜂窝无线电频谱，并最有效地利用分散的频谱资源。为实现这一目标，RF 工程师从根本上重新设计了 RF 前端的无线信令和传输架构，增加了主要功能，例如载波聚合、高阶调制和多输入多输出 (MIMO) 天线。通过结合越来越多的无线电频谱来改善整体无线连接和性能，移动设备中的 RF 设计变得相当复杂。 这是三部分系列中的第一部分，旨在帮助理解 RF 前端设计之谜以及使 5G 智能手机成为可能的技术。它探讨了为什么手机中的 RF 前端设计变得如此复杂，并回顾了 RF 前端架构，说明了芯片组行业如何管理这种复杂性并持续改善用户体验。

射频前端之谜

在 4G 之前，蜂窝无线电设计是一件非常简单的事情。传统的射频前端仅支持少数不同的射频，而这反过来只需要少量射频组件和天线来支持下行链路和上行链路功能。但随着行业开始 4G 的长期演进，很明显，RF 前端设计必须能够快速扩展，以适应全球蜂窝应用中可用的无线电频率的增长。 今天，在 4G 和 5G 手机中看到支持超过 20 个频段以及多个天线的射频前端设计并不罕见。与 3G 相比，4G 的初始复杂性在 RF 前端部分造成了几何增长。随着行业向 5G 过渡，RF 设计挑战变得更加复杂，这给设备制造商提出了一项艰巨的任务，即阻止 RF 复杂性呈指数级增长。事实上，我们的研究表明，在智能手机的任何部分，射频前端的物料清单 (BOM) 成本上升幅度最大。其他功能领域的成本和复杂性仅略有增加，而 RF 前端的成本和复杂性都增加了。

最新的 5G 射频前端设计必须满足更多的网络要求，以支持新的、更宽的 5G 频率带宽，以及越来越多的 LTE 频段，因为大多数 5G 网络推出时使用的是非5G 的独立实施。这意味着两个不同的无线电同时处于活动状态，一个 5G 和另一个 4G，具有独特且独立的射频链。 5G 标准还有助于引入新的、以前未使用的频谱，从 24 GHz 开始，通常称为毫米波频谱。这些频段提供 1 GHz 以上的频谱，从而实现超过 7 Gbps 的峰值无线数据速度。 但是为了实现这些速度，设备设计牺牲了信号覆盖范围。毫米波 5G 的接收和传播在实际应用中更加困难，这迫使使用波束成形和波束控制等新型无线电技术来产生可用的毫米波 5G 连接。 随着 5G 增加了手机中无线电和 RF 组件的数量，创建支持三代蜂窝无线电技术的功能性 RF 前端变得更加困难。 下表说明了 3G、4G 和 5G 网络中支持的频段数量的增加，这导致了 RF 复杂性的失控增长。对比过去 11 年来三星 Galaxy 系列的第一代设计，我们可以看到，每一代新的网络都带来了更多的支持 RF 频段，增加了对 RF 前端的要求，以跟上增加的带宽。这意味着手机制造商需要大量投资来设计功能更强大的射频前端，控制成本膨胀并在设备上使用有限的空间。

一直以来，这些 RF 复杂性在产品文献和消费者隐藏的 RF 设计挑战中都被掩盖了，因为这些复杂性会使产品信息变得混乱。智能手机用户不需要或不想了解这种日益增加的复杂性；他们希望他们的手机可以在任何地方使用，无论他们住在哪里。

为什么要这么复杂？

为了实现一代又一代网络和用户体验的数量级改进，需要更多的无线电频谱。但令人不快的事实是，RF 前端设计无法随着对电话无线电需求的增加而有效扩展。由于频谱是一种稀缺资源，政府必须对射频频谱进行配给，从而造成当今大多数蜂窝网络无法满足 5G 的预期需求。 毫米波技术是一种解决方案，但它的传播效果不佳，因此 RF 设计人员不能仅仅依靠它来解决频谱紧缩问题。他们需要解决最广泛的 RF 支持，并构建有史以来引入消费设备的最强大的蜂窝无线电设计。 从低于 6 GHz 到毫米波，现代无线电和天线设计必须使用和支持所有可用频谱。并且由于频谱持有不一致，频分双工和时分双工功能必须结合在单个射频前端设计中。此外，通过绑定不同频率的频谱来帮助增加虚拟带宽管道的载波聚合增加了 RF 前端的要求和复杂性。

此外，无线局域网和 Wi-Fi 不断发展的功能增加了另一层复杂性，因为蜂窝和 Wi-Fi 信号必须分开，否则会有大量 RF 干扰的风险。最新的 Wi-Fi 6E 标准增加了 6 GHz 频谱。因此，射频前端必须具有先进的滤波技术，以避免射频信号重叠。 由于 5G 中 RF 需求呈指数级增长，智能手机 RF 前端设计变得如此复杂。今天的消费者期望制造商解决所有这些 RF 挑战，但并不完全了解我们是如何达到这种复杂程度的。换句话说，如果要实现 5G 的承诺，就无法摆脱 RF 前端的复杂性。

现有 5G 手机中的射频前端设计

今天的射频挑战表现在很多方面。领先旗舰设备中的物理天线数量从典型的 3 或 4 个显着增加到 12 个以上——不包括毫米波天线模块。下图突出显示了现代设计中所需的天线数量不断增加，此外还需要结合毫米波天线。

从 4G 过渡到 5G，需要更多天线来支持 4x4 MIMO 天线并覆盖从 600 MHz 到 7 GHz 的各种 sub-6 GHz 频率。天线调谐器的使用有助于将现有天线重新用于多个频率，减少物理天线的数量。虽然这很有帮助，但 5G 的非独立实施需要数以万计的载波聚合组合和毫米波频谱的特殊规定，需要多个无线电链。这增加了 RF 前端的组件数量、成本和复杂性。5G 智能手机中 5G 射频前端设计不断增长和不断发展的需求难以摆脱；行业能做的最好的事情就是管理这种复杂性。 由于智能手机中的 RF 前端要应对 RF 需求呈指数级增长的局面，因此它也被要求在设备中占用更少的空间。换句话说，它被困在岩石和坚硬的地方之间，试图平衡这两种相互冲突的需求。   那么 5G 射频前端如何在保持紧凑的同时变得更加强大呢？答案是通过电子集成。下面是一个前端模块的图像，它用作输入信号的 RF 接收路径或链。模块有助于减小印刷电路板上电子元件的尺寸，而这在 5G 智能手机中的空间非常有限。

RF 前端从天线开始，到达 RF 收发器，最后到达调制解调器。天线和调制解调器之间有更多的射频技术在起作用。 下图试图简化领先 5G 设计中的许多射频组件。对于这些部件的供应商来说，5G 提供了一个扩大市场的黄金机会，因为 RF 前端内容与增加的 RF 复杂性成比例地增长。

例如，射频滤波器市场有望在 5G 射频前端实现最高增长率，因为对更多射频的支持意味着需要过滤更多射频。博通、Qorvo、Skyworks Solutions、村田和高通等射频部件制造商都将从这个不断增长的市场中获益。 然而，在 5G 手机中提供这些 RF 前端组件是一回事，提供解决方案来驯服 RF 复杂性并使一切正常工作是完全不同的球赛。为满足这一新兴市场需求，传统芯片制造商高通公司整合了一系列射频组件和技术，为智能手机制造商提供经过验证的射频调制解调器到天线解决方案。这种新颖的策略为设备生态系统带来了重大价值，因为并非所有制造商都希望投入大量 RF 工程资源来设计自己的 RF 前端。

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编辑：黄飞