移动产业似乎才刚结束在西班牙巴塞罗那举行的世界移动通讯大会(MWC)嘉年华,科技产业的供货商、系统OEM与行动营运商马上就面临着一连串亟待解决的5G发展障碍。事实上,这些问题还只是个起点。

5G发展的技术议题是多方面的。其中,用于5G毫米波(mmWave)——预计将执行于28GHz、39GHz或60GHz频率——的智能天线和射频(RF)前端,可能严重影响尚未出现的5G mmWave手机性能。

Yole Développement的RF电子业务负责人Claire Troadec在MWC之后接受《EETimes》的专访。她说:“尽管像高通(Qualcomm)、英特尔(Intel)、联发科技(MediaTrk)和三星(Samsung)等许多公司都以手机作为5G mmWave的展示平台,但我们认为,手机并不会是首先落实5G mmWave的应用之处。”相形之下,5G mmWave更可能成为书桌或桌面上的固定式数据调制解调器,让消费者能够用于下载或串流大量的宽带应用。

RF18032102 Claire Troadec

为什么呢?这其实是因为5G mmWave频段存在着高传播损耗、指向性以及对于障碍物十分敏感等问题,因此,想要设计一款能始终运作而不至于失去讯号的5G手机并不是一件容易的事。想象一下,消费者可能会因此被迫停留在某一个页面,而且必须不断地寻找其他讯号。

在手机中部署5G mmWave无线讯号的另一项挑战是电池的寿命和耗电问题。在今年于平昌举行的2018年冬季奥运(Winter Olympics 2018)期间,三星据称展示了自家的5G平板计算机。虽然这台装置的运作十分顺利,但是充斥在MWC上的评价却相当令人惊讶:在30分钟后电池就没电了。

针对这个传闻,Troadec认为,“手机的5G mmWave讯号传输会出现功耗过高的问题。”她猜想“大多数的主导厂商应该都在广泛地关注这个领域。”但她补充说,她发现这些技术供货商并未针对5G新无线电(5G New Radio;5G NR)应用中这个明显的系统级功耗问题提出许多补救措施。她说,没有人愿意在展会上进一步讨论这个问题。

5G mmWave RF模块对于新兴5G市场将会带来的干扰,并不仅限于技术的变化。深受影响的还包括目前供应3G和4G RF组件和模块的整个“产业供应链”。

Yole解释,由于5G mmWave让供货商得以使用CMOS或SOI技术,在SoC中设计RF前端模块,因此该领域将为目前在手机生态系统架构中的“先进CMOS设计和制造商”开启进军RF市场的大门。除了英特尔和高通之外,进军这一领域的业者还包括三星、华为(Huawei)和联发科技。

5G频段越多,RF前端模块就更多

随着技术供货商开始致力于打造能够处理频段日益增加的复杂RF前端(RFFE)模块,行动产业已经取得了很大的进展。根据Troadec,随着蜂巢式标准从3G发展到4G,RF前端必须因应的频段数量从4个大幅增加到了30个。

RF18032103 智能型手机中支持的频段数越来越多,徒增RF前端的复杂度(来源:Yole Développement)

随着5G技术和应用逐渐到位,情况将会变得更加复杂。虽然5G在理论上是一项标准,但它有三个重要的组成元素:用于物联网(IoT)的5G、使用sub-6 GHz频段的5G,以及使用mmWave的5G。以RF技术来看,Troadec观察到“这意味着必须把不同性能的组件整合在一起。”

这表示5G将遵循“不同实施阶段、不同5G版本平行发展”的方向。换句话说,不会有一种统一的5G RFFE,而是“5G IoT、5G sub-6 GHz和5G mmWave各自依其路径发展,并分别以其RF系统级封装(SiP)进展建立平行的生态系统。”

那么,每一种5G技术将分别采取哪些RFFE路径发展?Troadec认为,5G mmWave技术将会带来最具颠覆性的创新。她并预计接下来将会需要重新更改设计以及采用新的材料。

值得庆幸的是,5G mmWave可以终结目前用于2G、3G和4G RF前端系统中基于SiP技术的复杂前端模块应用。Troadec解释说:“你可以根据先进的CMOS或SOI技术,设计每一个建构模块——包括功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、滤波器、开关和被动组件。”这将会为许多以前较欠缺RF专业技术的数字芯片供货商带来开发SoC前端模块的机会。

同时,对于在6GHz频段以下(sub-6 GHz)的5G技术,Troadec认为它将建立在渐进式创新的基础上。她解释说,在这个频段上预计只需要以变化最小的材料清单(BoM)更改目前的RF封装架构即可。

由于5G IoT将使用低于1GHz的频率,因此,Troadec认为在这个频段上,5G RFFE的半导体封装“只需要很少或几乎无需创新”。尽管如此,针对大量IoT装置产生数据传输问题的5G IoT规范和协议,至今尚未完成定义和标准化。

RF18032104 各种不同版本的5G技术平行发展(来源:Yole Développement)

RF供应链中有哪些“大咖”?

在深入探索5G的RF解决方案细节之前,让我们先看看目前有哪些主要的RF组件和模块供货商。

通常,RF前端模块是由诸如RF开关、PA/LNA、RF滤波器和天线组件(调谐器和开关)等RF组件组成的。

在这个拥挤的RF供应链中,主要的RF厂商包括Sony、村田(Murata;2014年底收购Peregrin Semiconductor)、Skyworks、Qorvo、英飞凌(Infineon)、博通(Broadcom)/Avago、Cavendish Kinetics、TDK EPCOS等。

每一家公司都有自己专有的RF组件,通常各自采用不同的基板和制程技术。这些技术选择包括从RF-SOI和BiCMOS到bulk CMOS、氮化镓(GaN)和RF MEMS等包罗万象。

由于不同类型的RF组件分别采用不同的制程技术,因此,当今用于整合RF模块的途径通常选择的是SiP,而非SoC的形式。

目前,对于2G、3G、4G以及5G的6 GHz以下频段,Troadec证实,“满足智能型手机中严格无线性能要求的唯一方法就是SiP途径。”

RF18032105 (来源:Yole Développement)

目前没有任何一家RF组件供货商有能力拥有每一种最佳技术。Troadec解释说,在RF前端整合中,“每一种建构模块都需要非常专用的技术:使用砷化镓(GaAs)技术的最佳PA、使用SOI技术的最佳开关、使用表面声波(SAW)和体声波(BAW)的最佳滤波器,以及使用硅锗(SiGe)技术的最佳LNA等。”

Troadec并表示:“博通、Murata、Qorvo、Skyworks和TDK/高通,则是目前能够为RF前端模块提供SiP制程技术的厂商。”

她解释说,每一种产品都有各自的特性要求,例如高频模块、中频模块、低频模块和多样化接收模块等,分别采用了“整合多任务器的PA模块”(PAMiD)或是“整合多任务器的前端模块”(FEMiD)形式。PAMiD是高度整合的客制模块、性能导向但成本高,仅限于苹果(Apple)、三星和华为等几家业者采用;而FEMiD则提供较优的性能和成本折衷,较受LG和手机公司等二级(Tier 2)智能型手机制造商的青睐。

她总结道:“我们确实看到只有少数几家公司能够在此高度技术混合的环境中发挥作用。”

5G sub-GHz:沿用SiP...

随着蜂巢式产业朝向5G方向发展,对于5G sub-GHz的RF前端模块而言,预计仍将沿用相同的原则——SiP整合。

然而,据Yole指出,针对SiP和封装内部的更多整合,未来将会发生一些变化。Troadec解释说,这些新的措施包括在基于SOI的平台上整合LNA和开关于同一芯片中,以及采用更多用于滤波器的晶圆级封装(WLP)途径,以节省芯片空间(例如,目前只有博通采用这种方法,以及Qorvo正在开发这种方法)。此外,晶圆级封装途径也适用于封装PA (至今仍采用线接合方式)。

5G mmWave:从SiP到SoC

无疑地,5G mmWave RF前端模块将彻底改变最复杂的RF组件/模块供应链。由于使用各种不同的制程技术,因而制造出大量复杂的RF组件。未来,即将出现的可能是在基于先进CMOS或SOI技术实现的SoC中导入mmWave前端模块。

让5G mmWave得以在SoC中设计RF模块的原因有很多。

首先,Troadec解释说,5G mmWave意味着它正转向带宽可用的频谱区域。“因此,我们并不需要很多频段来发送信息,进一步简化了它的无线架构。”

因此,这也降低了对于滤波器技术的限制。“模块中不必再进行高阶滤波,”然而,她提醒道,“我们仍然必须在不同的无线技术(4G或5G sub-6 GHz以及5G mmWave)之间切换高阶开关(高度隔离、线性度)。

她还指出,针对4G技术,“我们使用了每频段20MHz带宽的载波聚合(carrier aggregation;CA),而且还使用了多个频段。因此,它需要高阶滤波器技术,以区别每个频段中的每个讯号,但目前只有BAW组件(MEMS技术)可用。

另一个重要的因素是5G mmWave将采用波束成形(beam-forming)技术,使其得以形成波束,同时向多个用户传送信息。“这将会降低PA功率发射的限制和要求。另一方面,这也意味着CMOS技术能够发挥作用。”她补充说:“在mmWave频率下,电感变小了;因此,就可能采用CMOS/SOI技术整合被动组件了。”

然而,Troadec再次强调,对于5G mmWave RF模块而言,限制因素之一似乎就在于整个系统的功耗。“为什么我们必须厘清这个问题?而且,至今还没有人从技术上解释为什么,以及必须做些什么,”才能解决这个问题。

进军RF领域的新进业者

一旦业界转而采用CMOS或SOI技术,在SoC中设计5G mmWave RF前端模块,目前的RF生态将会从一个看似和谐的RF前端模块供货商俱乐部(如博通、Murata、Qorvo、Skyworks 以及TDK/高通)开始发生变化。

Troadec指出,英特尔和高通已经准备好进军手机调制解调器和收发器业务了,他们很有希望能够掌握无线RF领域以及提供端对端的解决方案。这些公司的目标在于“为RF产业链带来由上而下的完整自家设计”。

如果博通收购了高通…

从博通和高通旗下的产品和技术领域来看,手机市场是这两大巨擘极具业务互补性的市场。 根据Troadec的观察,博通高度定位于无线和Wi-Fi领域,而高通则广泛经营应用处理器(AP)、调制解调器、收发器、Wi-Fi/蓝牙(BT)等市场,再加上恩智浦(NXP)的NFC及其微控制器(MCU)业务。

如今,高通逐渐从5G mmWave领域取得了市场动能,而博通则专注于sub-6 GHz。Troadec表示,如果两家公司的收购案之前没有被美国总统川普挡下来,那么,博通和高通的整并“将会在市场上形成高度寡头垄断的局面。”她质疑说:“这就是为什么我们看到英特尔变得十分担心,并试图介入这项收购案的讨论,甚至还撂下考虑收购博通的话来。”

(原文发表于Aspencore旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:5G to Alter RF Front-End Landscape;Susan Hong编译)

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