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(dòng)行業(yè)此前已經(jīng)完成了在巴塞羅那舉行的年度移動(dòng)世界大會(huì )愛(ài)情般的狂歡活動(dòng)，但高科技供應商，系統原始設備制造商和移動(dòng)運營(yíng)商所面臨著(zhù)現在尚未真正解決5G發(fā)展障礙的問(wèn)題。事實(shí)上，這些發(fā)展障礙才剛剛開(kāi)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(shù)問(wèn)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(xiàn)和射頻前端可能?chē)乐赜绊懮形闯霈F的5G mmWave（毫米波）手機的性能。

 

圖3、5G生態(tài)系統

 

從移動(dòng)世界大會(huì )回來(lái)后，市場(chǎng)研究公司（YoleDéveloppement）的射頻（RF）電子業(yè)務(wù)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據調制解調器的選擇，以便消費者可以下載或者傳輸大規模流式寬帶應用”。

 

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(lái)臭名昭著(zhù)，困難重重，設計一款始終工作而不會(huì )丟失信號的5G手機并不是一件容易的事。消費者可能會(huì )被迫停留在某頁(yè)字面上或者某幅圖片上，系統轉而需要尋找其它頻段的信號。

 

圖5、5G在韓國冬奧會(huì )中得到應用

 

在移動(dòng)手機中部署5G毫米波無(wú)線(xiàn)電的另一個(gè)挑戰是電池的壽命和耗電問(wèn)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(dòng)世界大會(huì )圍繞這個(gè)酷炫的應用卻是一個(gè)驚人的警告：電池在30分鐘后就沒(méi)電了。

 

圖6、智能手機需要支持的頻段數越來(lái)越多

 

當被問(wèn)到這個(gè)傳聞時(shí)，Yole的Troadec說(shuō)她認為“手機5G mmWave（毫米波）廣播信號傳輸時(shí)有具有很高的能耗的問(wèn)題。”她懷疑“大多數廠(chǎng)商的領(lǐng)導人都在廣泛地關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。”但她補充說(shuō)，她發(fā)現這些技術(shù)供應商可能會(huì )為5G新無(wú)線(xiàn)電（5G New Radio）應用中這個(gè)明顯有問(wèn)題的系統級功耗問(wèn)題提出了一些補救措施。她說(shuō)，沒(méi)有人愿意在展會(huì )上進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)題，大家都在有意回避這個(gè)問(wèn)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(chǎng)帶來(lái)的干擾并不局限于技術(shù)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(shù)在SoC中設計射頻前端模塊，因此該領(lǐng)域將為面向目前在手機生態(tài)系統架構中的“先進(jìn)CMOS設計和制造廠(chǎng)商”進(jìn)軍射頻市場(chǎng)敞開(kāi)大門(mén)。除了英特爾和高通之外，具有進(jìn)軍這一領(lǐng)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(zhù)技術(shù)供應商與能夠處理越來(lái)越多數量的頻段的復雜RF前端（RFFE，RF front ends）模塊搏斗，移動(dòng)行業(yè)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。根據Troadec的說(shuō)法，隨著(zhù)蜂窩標準從3G發(fā)展到4G，RF前端必須應對的頻段數量從4個(gè)增加到了30個(gè)。

 

 

圖9、終端射頻前端的設計越來(lái)越復雜

 

智能手機中支持的頻段數量的增加只會(huì )增加射頻前端的復雜性。

 

但隨著(zhù)5G技術(shù)和應用逐漸上線(xiàn)，事情將變得更加復雜。雖然理論上5G是一個(gè)單一的標準，但它有三個(gè)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(shù)方面，Troadec觀(guān)察到“這意味著(zhù)將需要非常不相似的性能的技術(shù)一起匯集在一種設備中”。

 

圖10、智能手機的發(fā)貨量越來(lái)越大

 

這意味著(zhù)5G將遵循“不同的實(shí)施階段，不同的5G版本并行開(kāi)發(fā)”。換句話(huà)說(shuō)，不會(huì )有單一的，統一的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(kāi)發(fā)創(chuàng )建并行的生態(tài)系統，“她說(shuō)。

 

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(shù)的不同射頻（RF）前端（RFFE，RF front ends）的研究路徑時(shí)，Troadec說(shuō)她看到5G mmWave（毫米波）技術(shù)帶來(lái)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射頻前端系統中的基于系統級封裝（SiP，System-in-Package ）技術(shù)的復雜的前端模塊的實(shí)踐。 “您可以根據先進(jìn)的CMOS或SOI技術(shù)設計每個(gè)構建模塊 - 包括功率放大器，低噪聲放大器，濾波器，開(kāi)關(guān)和無(wú)源器件，”Troadec解釋說(shuō)。這將為許多以前幾乎沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電專(zhuān)業(yè)知識的數字芯片供應商提供開(kāi)發(fā)SoC前端模塊的機會(huì )。

 

圖12、Beamforming在5G網(wǎng)絡(luò )中有重要的應用

 

同時(shí)，對于在6 GHz以下頻段中的5G技術(shù)，Troadec認為它將建立在漸進(jìn)式創(chuàng )新之上。她解釋說(shuō)，在這個(gè)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(gè)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(méi)有創(chuàng )新”。盡管如此，旨在解決由許多物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備生成的數據的傳輸問(wèn)題的5G 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）規范和協(xié)議尚未完成定義和標準化。

 

圖13、不同口味的5G技術(shù)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(kāi)關(guān)，功率放大器（PA）/低噪聲放大器（LNA），RF濾波器和天線(xiàn)裝置（調諧器和開(kāi)關(guān)）之類(lèi)的射頻（RF）器件組件組成的。

 

圖14、5G用戶(hù)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(chǎng)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(gè)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(shù)。他們的工藝技術(shù)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(lèi)型RF組件采用了多種工藝技術(shù)，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(luò )中的Beamforming技術(shù)

 

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(mǎn)足智能手機中的嚴格的無(wú)線(xiàn)電性能要求將只有SiP技術(shù)這一個(gè)方法，“Troadec證實(shí)。

 

圖18、智能手機中的功能布局

 

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

 

當被問(wèn)及是誰(shuí)會(huì )為射頻前端模塊提供SiP技術(shù)時(shí)，Troadec表示：“Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks和TDK / Qualcomm是今天唯一能夠提供SiP工藝技術(shù)的廠(chǎng)商。”

 

她解釋說(shuō)，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(dòng)但帶有強大功能因此僅限于蘋(píng)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(xiàn)智能手機制造商的青睞）。

 

圖19、5G系統中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

 

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

 

幾個(gè)GHz頻段以?xún)鹊?G：仍然采用的是SiP方法

 

隨著(zhù)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）仍將繼續存在。

 

圖20、SiP技術(shù)在5G時(shí)代中可能的應用

 

但據Yole稱(chēng)，就SiP和封裝內部的更多集成而言，將會(huì )有一些變化。 Troadec解釋說(shuō)，這些新措施包括基于SOI平臺在同一芯片（die）上集成LNA和開(kāi)關(guān)，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(kāi)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(xiàn)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(wú)疑問(wèn)將會(huì )徹底改變最復雜的RF（射頻）組件/模塊供應鏈。通過(guò)使用不同的工藝技術(shù)制造了大量復雜的RF（射頻）組件。相反，即將出現的是基于先進(jìn)CMOS或者SOI技術(shù)實(shí)現的SoC中實(shí)現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(zhù)移動(dòng)到可用的超帶寬頻譜區域，Troadec解釋說(shuō)。 “因此，我們不需要很多離散的頻段來(lái)發(fā)送信息。因此射頻收發(fā)信機的架構可以簡(jiǎn)單得多。“

 

結果，這也降低了對濾波器技術(shù)的限制，她解釋說(shuō)。 “我們不需要在模塊中進(jìn)行高端濾波。”然而，她警告說(shuō)，“我們需要在不同無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（4G或者低于6 GHz 的5G以及5G 毫米波）之間切換的先進(jìn)的開(kāi)關(guān)技術(shù)（高隔離度，高線(xiàn)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(gè)頻段。因此，我們需要先進(jìn)的高端濾波器技術(shù)（陡峭的抑制曲線(xiàn)）來(lái)區分每個(gè)頻段中的每個(gè)信號。而今天只有BAW（FBAR）器件技術(shù)（MEMS技術(shù)）能夠滿(mǎn)足這種要求。“

 

另一個(gè)重要因素是5G mmWave（毫米波）將采用波束成形技術(shù)，允許它對波束進(jìn)行成形，以同時(shí)向多個(gè)用戶(hù)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(guò)來(lái)又意味著(zhù)CMOS技術(shù)可以發(fā)揮作用。“她補充說(shuō)：”在mmWave（毫米波）頻率下，電感變??；因此，將無(wú)源器件與CMOS / SOI技術(shù)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(lái)說(shuō)，一個(gè)限制因素似乎是整個(gè)系統的功耗。 “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(shí)在太大了；但到到目前為止，沒(méi)有人愿意從技術(shù)上告訴我們?yōu)槭裁磿?huì )這樣，以及我們需要做什么”來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

 

新進(jìn)入射頻器件領(lǐng)域的玩家

 

一旦行業(yè)轉向使用CMOS或者SOI技術(shù)來(lái)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(lǐng)域將從看似舒適的RF前端模塊供應商俱樂(lè )部（如Broadcom，Murata，Qorvo，Skyworks，以及TDK /高通）將會(huì )發(fā)生變化。

 

圖21、5G生態(tài)系統中的主要玩家

 

Troadec指出，英特爾和高通已經(jīng)進(jìn)入調制解調器和手機收發(fā)信機業(yè)務(wù)。他們非常有希望掌握無(wú)線(xiàn)射頻領(lǐng)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的完整的內部設計”，她說(shuō)。

 

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(shù)領(lǐng)域，手機市場(chǎng)是這兩大巨頭互補業(yè)務(wù)的市場(chǎng)。 Troadec觀(guān)察到Broadcom（博通）在無(wú)線(xiàn)和Wi-Fi領(lǐng)域，而Qualcomm（高通）在應用處理器單元，調制解調器，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(dòng)5G射頻供應鏈的整合變化

 

現在Qualcomm（高通）公司在5G mmWave（毫米波）領(lǐng)域獲得了強大的技術(shù)牽引力，而Qualcomm（高通）則專(zhuān)注于低于6GHz的技術(shù)解決方案，Troadec表示，如果沒(méi)有被美國總統阻止，Broadcom（博通）和Qualcomm（高通）的合并“將會(huì )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(jìn)入這個(gè)收購討論，甚至放話(huà)要收購Broadcom（博通）。”

 

來(lái)自：萬(wàn)物云聯(lián)網(wǎng)。

 

 

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