在一定程度上，由于標(biāo)準(zhǔn)制定的速度加快，5G正迅速邁向全球部署，給智能手機制造商帶來了許多新的射頻（RF）挑戰(zhàn)。移動運營商今年開始安裝基礎(chǔ)設(shè)施，首批5G手機有望于2019年推出。盡管在未來許多年內(nèi)，4G LTE仍將是最主要的蜂窩網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，但據(jù)業(yè)內(nèi)估計，5G智能手機的銷量將穩(wěn)步增長。最新的愛立信移動報告預(yù)測，到2023年底，5G移動用戶數(shù)將超過10億，占全球移動數(shù)據(jù)流量的20%。

隨著首批5G部署即將問世，智能手機制造商面臨巨大壓力，他們需要制定實施策略，將5G技術(shù)應(yīng)用到手機產(chǎn)品上。這不是一項簡單的任務(wù)，因為5G會極大地增加射頻的復(fù)雜性，在帶寬、線性度和電源管理等方面帶來挑戰(zhàn)。

5G概況

針對5G規(guī)范所做的早期工作主要側(cè)重于增強型移動寬帶(eMBB)，即第一個5G用例。eMBB提供的數(shù)據(jù)速率預(yù)計會達到現(xiàn)今LTE速度的20倍。于2017年12月發(fā)布的3GPP 15版（見圖1）的第一階段包含了非獨立(NSA)5G新無線電(NR)的草案規(guī)范。NSA利用LTE錨頻段進行控制，并使用5G NR頻段提供更快的數(shù)據(jù)速率（見圖2），這是為了讓運營商能夠使用其現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)來更快地提供5G速度。

圖13GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)時間線。

圖2NSA和SA實施選項（與LTE相比）。

2018年6月，3GPP接著推出了5G獨立(SA)NR規(guī)范。SA無需LTE錨點，但需要建設(shè)一個全5G網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，該標(biāo)準(zhǔn)組還制定了未來18個月的時間線，包括“后期放棄”15版的額外特性，以及16版的工作計劃，這些內(nèi)容會開始將5G規(guī)范的范圍擴展到移動寬帶以外的各種新應(yīng)用，包括自動駕駛汽車和物聯(lián)網(wǎng)。

為了實現(xiàn)加快數(shù)據(jù)速度的承諾，以及支持更高的容量，5G將大幅增加用于手機通信的頻譜范圍和帶寬。頻譜分配到兩個頻率范圍：低于6GHz，指定為FR1；毫米波，指定為FR2（見圖3）。最初的移動部署將使用FR1，其中包括若干3GHz以上的新5G頻段。目前正在開發(fā)在手機中支持毫米波頻率的技術(shù)方法，但該技術(shù)不如支持低于6GHz頻段的技術(shù)成熟。

圖35G頻譜將包括6GHz以下和毫米波頻率的新頻段。

在FR1中，單個載波的最大帶寬為100MHz，是LTE的最大帶寬20MHz的5倍。5G規(guī)范強制要求手機支持頻段在1GHz以上的2個上行載波和4個下行載波，以分別實現(xiàn)200和400MHz的總帶寬。15版規(guī)范包含600多個新載波聚合(CA)組合，包括許多4G和5G波段的NSA組合。管理這一前所未有的帶寬和CA組合所面臨的挑戰(zhàn)波及了整個射頻子系統(tǒng)。5G定義了兩種替代波形，這進一步增加了復(fù)雜性：CP-OFDM和DFT-s-OFDM。CP-OFDM在資源模塊中提供了很高的頻譜封裝效率，并為MIMO提供了良好的支持。DFT-s-OFDM是用于LTE上行鏈路的同一波形，其頻譜封裝效率更低，但范圍更廣。

對手機設(shè)計的影響

5G將對手機射頻前端(RFFE)產(chǎn)生巨大影響，該標(biāo)準(zhǔn)要求手機在基本同樣大小的空間中解決額外的復(fù)雜射頻問題（見圖4）。需要采用創(chuàng)新方法來支持多個同步上行鏈路和下行鏈路連接的要求，且RFFE在支持這種海量帶寬的同時，需要提供非常高的線性度并管理好功耗。

圖45G智能手機射頻前端的復(fù)雜性，還不包括任何毫米波頻段。

NSA雙連接

盡管5G NSA為運營商提供了加快5G部署的方法，但也增加了射頻復(fù)雜性，因為它要求實現(xiàn)LTE和5G雙連接。在某些情況下，手機可能會在一個或多個LTE頻段中傳輸數(shù)據(jù)，同時在一個5G頻段上接收數(shù)據(jù)。這就大大增加了傳輸頻率諧波降低接收器靈敏度的可能性。其中一個示例就是LTE頻段1、3、7和20與新5G FR1頻段n78的CA組合。n78占用的頻率范圍比LTE頻段要高，且非常廣泛，從3.3至3.8GHz。這樣一來，在其中一個LTE頻段上傳輸數(shù)據(jù)生成的諧波將更有可能落入n78頻率范圍。通過濾波來衰減諧波可能增加RFFE插入損耗、提高所需的功率放大器(PA)輸出功率，并降低系統(tǒng)的總效率。

海量帶寬和新波形

海量帶寬、新CP-OFDM波形和更高輸出功率相結(jié)合，給射頻線性度和功率管理造成了重大挑戰(zhàn)。4G手機廣泛采用包絡(luò)跟蹤(ET)來最大程度降低PA功耗。ET通過不斷調(diào)整PA電源電壓以跟蹤射頻包絡(luò)的方式來提高效率。但是，在首次部署5G時，包絡(luò)跟蹤器預(yù)計最大只能支持60MHz帶寬，該帶寬不足以支持100MHz的5G載波。因此，PA必須在固定電壓平均功率跟蹤(APT)模式下運行，以實現(xiàn)寬帶傳輸，這會降低效率和縮短電池續(xù)航時間。

新的CP-OFDM波形擁有更高的峰均功率比(PAR)，這進一步增加了難度。結(jié)合更高的信道帶寬，5G需要比LTE更高的PA回退值，以避免超過規(guī)定限制，并維持高質(zhì)量數(shù)據(jù)鏈路所需的線性度。最后，許多運營商都計劃實施2級功率標(biāo)準(zhǔn)，以最大程度擴大5G手機的工作范圍。2級功率讓手機天線的輸出功率翻倍，以克服更高頻率的FR1頻段遇到的傳輸損耗增大的問題。

增加帶寬、新波形和更高輸出功率這三種需求相結(jié)合，給PA設(shè)計帶來了非常具有挑戰(zhàn)性的線性度要求，且有可能會降低傳輸鏈效率。

4×4 MIMO

LTE需要兩條下載通道，用于接收分集，而5G需要四條1GHz以上頻段的獨立射頻下行鏈路，以通過4× MIMO和CA提供更高的數(shù)據(jù)速率。在某些頻段上，5G還會指定兩條可選的上行鏈路。手機制造商面臨的挑戰(zhàn)是如何將這些額外的信號路徑裝入分配給RFFE的有限空間中。

解決這個問題的關(guān)鍵在于提高集成度，即使用通常集成了PA、開關(guān)和濾波器的集成模塊。除了節(jié)省空間和提高性能外，集成模塊還提供預(yù)測試射頻構(gòu)建模塊，這有助于手機制造商滿足行業(yè)嚴(yán)苛的手機開發(fā)周期。以前從3G過渡到4G時，手機主要采用分立式元件，而此次過渡與之前不同，幾乎所有手機制造商都一致認同使用集成式RFFE來加快其首批5G設(shè)備的上市速度。

天線的空間

射頻復(fù)雜性的提高也使得天線數(shù)量有所增加，接近手機可達到的實際極限。為了支持4×下行鏈路MIMO、雙上行鏈路MIMO、范圍更廣泛的頻段和要求（例如2× Wi-Fi MIMO），如今LTE手機的天線數(shù)量預(yù)計會從3個增加到5個，5G智能手機則會從4個增加到8個，或者更多。與此同時，隨著手機行業(yè)轉(zhuǎn)而采用全屏設(shè)計，放置手機天線的邊框區(qū)域會縮小，因此天線可用的空間實際上也會縮小。需要在更小的空間內(nèi)安裝更多的天線就意味著天線的尺寸必須縮小，因此天線的效率會降低。

這些趨勢將推動RFFE采用兩類天線解決方案。一類是天線調(diào)諧，可以將每根天線都調(diào)諧到工作頻段，使它更加高效。在某種程度上，LTE手機已經(jīng)采用了天線調(diào)諧，主要用于提高性能。對于5G手機，鑒于其天線數(shù)量有限，且必須支持更廣的頻率范圍，因此必須使用天線調(diào)諧來維持性能。另一種天線技術(shù)是天線轉(zhuǎn)換開關(guān)，它在一些LTE手機中是一種高性能選項，而在5G手機中將成為必不可少的技術(shù)。天線轉(zhuǎn)換開關(guān)利用單個模塊覆蓋多個頻率，使得多條射頻通道可以同時連接至天線，同時防止通道之間的干擾。天線轉(zhuǎn)換開關(guān)目前被有些LTE手機用于路由CA信號，但它將會成為5G手機不可缺少的組件，用于支持15版和之后版本的規(guī)范所定義的海量雙連接CA選項。

應(yīng)對挑戰(zhàn)

在大肆宣傳5G的背后，現(xiàn)實中部署的速度遠遠快于最初的預(yù)期，讓智能手機制造商添加5G功能的壓力越來越大。新標(biāo)準(zhǔn)帶來了前所未有的射頻挑戰(zhàn)，包括更高程度的復(fù)雜性、海量帶寬、線性度和功率管理。

在3GPP制定5G標(biāo)準(zhǔn)的同時，Qorvo和其他RFFE供應(yīng)商通過與無線基礎(chǔ)設(shè)施制造商、網(wǎng)絡(luò)運營商、芯片提供商和智能手機制造商合作，為這些工作提供支持。如同在之前的技術(shù)過渡過程中，解決復(fù)雜的5G挑戰(zhàn)將需要創(chuàng)新型射頻解決方案，讓制造商能夠為消費者推出新的產(chǎn)品。