5G正在改變?nèi)蛏漕l前端技術(shù)的發(fā)展景觀
發(fā)布時(shí)間:2018-04-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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(yīng)商,系統(tǒng)原始設(shè)備制造商和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所面臨著現(xiàn)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。
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(yīng)商,系統(tǒng)原始設(shè)備制造商和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所面臨著現(xiàn)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(duì)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(yù)計(jì)工作頻率為28 GHz,39 GHz或60 GHz)的智能天線和射頻前端可能?chē)?yán)重影響尚未出現(xiàn)的5G mmWave(毫米波)手機(jī)的性能。
圖3、5G生態(tài)系統(tǒng)
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(fù)責(zé)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(jī)原型作為5G mmWave(毫米波)的演示平臺(tái),但我們不相信目前手機(jī)將成為5G mmWave(毫米波)的首選應(yīng)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(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器的選擇,以便消費(fèi)者可以下載或者傳輸大規(guī)模流式寬帶應(yīng)用”。
圖4、高通的5G 毫米波原型樣機(jī)
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(duì)阻塞的敏感性而在業(yè)界工程師看來(lái)臭名昭著,困難重重,設(shè)計(jì)一款始終工作而不會(huì)丟失信號(hào)的5G手機(jī)并不是一件容易的事。消費(fèi)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(tǒng)轉(zhuǎn)而需要尋找其它頻段的信號(hào)。
圖5、5G在韓國(guó)冬奧會(huì)中得到應(yīng)用
在移動(dòng)手機(jī)中部署5G毫米波無(wú)線電的另一個(gè)挑戰(zhàn)是電池的壽命和耗電問(wèn)題。在平昌2018年冬季奧運(yùn)期間,三星相信已經(jīng)展示了自己的5G平板電腦。雖然它運(yùn)行良好,但是在移動(dòng)世界大會(huì)圍繞這個(gè)酷炫的應(yīng)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(jī)需要支持的頻段數(shù)越來(lái)越多
當(dāng)被問(wèn)到這個(gè)傳聞時(shí),Yole的Troadec說(shuō)她認(rèn)為“手機(jī)5G mmWave(毫米波)廣播信號(hào)傳輸時(shí)有具有很高的能耗的問(wèn)題。”她懷疑“大多數(shù)廠商的領(lǐng)導(dǎo)人都在廣泛地關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域。”但她補(bǔ)充說(shuō),她發(fā)現(xiàn)這些技術(shù)供應(yīng)商可能會(huì)為5G新無(wú)線電(5G New Radio)應(yīng)用中這個(gè)明顯有問(wèn)題的系統(tǒng)級(jí)功耗問(wèn)題提出了一些補(bǔ)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(yù)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(yīng)3G和4G射頻組件和模塊的供應(yīng)鏈中的供應(yīng)商們。
圖8、28GHz 下行鏈路預(yù)算表
由于5G mmWave(毫米波)可能允許供應(yīng)商使用CMOS或者SOI技術(shù)在SoC中設(shè)計(jì)射頻前端模塊,因此該領(lǐng)域?qū)槊嫦蚰壳霸谑謾C(jī)生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)中的“先進(jìn)CMOS設(shè)計(jì)和制造廠商”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)
隨著技術(shù)供應(yīng)商與能夠處理越來(lái)越多數(shù)量的頻段的復(fù)雜RF前端(RFFE,RF front ends)模塊搏斗,移動(dòng)行業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)Troadec的說(shuō)法,隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)從3G發(fā)展到4G,RF前端必須應(yīng)對(duì)的頻段數(shù)量從4個(gè)增加到了30個(gè)。
圖9、終端射頻前端的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜
智能手機(jī)中支持的頻段數(shù)量的增加只會(huì)增加射頻前端的復(fù)雜性。
但隨著5G技術(shù)和應(yīng)用逐漸上線,事情將變得更加復(fù)雜。雖然理論上5G是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn),但它有三個(gè)主要的要素:5G支持的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)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觀察到“這意味著將需要非常不相似的性能的技術(shù)一起匯集在一種設(shè)備中”。
圖10、智能手機(jī)的發(fā)貨量越來(lái)越大
這意味著5G將遵循“不同的實(shí)施階段,不同的5G版本并行開(kāi)發(fā)”。換句話說(shuō),不會(huì)有單一的,統(tǒng)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(tǒng),“她說(shuō)。
圖11、射頻前端產(chǎn)業(yè)鏈中的主要玩家
當(dāng)被要求評(píng)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(yù)計(jì)5G mmWave(毫米波)需要重新更改設(shè)計(jì)和采用新材料。
好消息是,5G mmWave(毫米波)可以終結(jié)目前用于2G,3G和4G射頻前端系統(tǒng)中的基于系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP,System-in-Package )技術(shù)的復(fù)雜的前端模塊的實(shí)踐。 “您可以根據(jù)先進(jìn)的CMOS或SOI技術(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)構(gòu)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)線電專(zhuān)業(yè)知識(shí)的數(shù)字芯片供應(yīng)商提供開(kāi)發(fā)SoC前端模塊的機(jī)會(huì)。
圖12、Beamforming在5G網(wǎng)絡(luò)中有重要的應(yīng)用
同時(shí),對(duì)于在6 GHz以下頻段中的5G技術(shù),Troadec認(rèn)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(yù)計(jì)目前的射頻封裝架構(gòu)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(rèn)為在這個(gè)頻段5G 射頻(RF)前端(RFFE,RF front ends)的半導(dǎo)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(shè)備生成的數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題的5G 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)規(guī)范和協(xié)議尚未完成定義和標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)鏈中的名人堂
在深入研究5G中的詳細(xì)的射頻(RF)解決方案之前,讓我們先仔細(xì)研究當(dāng)前的RF組件和模塊供應(yīng)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濾波器和天線裝置(調(diào)諧器和開(kāi)關(guān))之類(lèi)的射頻(RF)器件組件組成的。
圖14、5G用戶終端中電路的功能劃分
射頻(RF)前端模塊擁擠的供應(yīng)鏈中的主要廠商包括:索尼,Murata(2014年末收購(gòu)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(jī)的典型結(jié)構(gòu)
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(jī)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(duì)于2G,3G,4G和5G 6 GHz以下頻段(針對(duì)6 GHz以下的所有頻段)的頻段,“滿足智能手機(jī)中的嚴(yán)格的無(wú)線電性能要求將只有SiP技術(shù)這一個(gè)方法,“Troadec證實(shí)。
圖18、智能手機(jī)中的功能布局
目前沒(méi)有任何單一的射頻(RF)組件供應(yīng)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(gòu)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(dāng)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(qū)動(dòng)但帶有強(qiáng)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(guó)手機(jī)玩家等二線智能手機(jī)制造商的青睞)。
圖19、5G系統(tǒng)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)
“我們確實(shí)看到只有少數(shù)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(jié)道。
幾個(gè)GHz頻段以?xún)?nèi)的5G:仍然采用的是SiP方法
隨著蜂窩產(chǎn)業(yè)向5G方向發(fā)展,對(duì)于GHz級(jí)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(xù)存在。
圖20、SiP技術(shù)在5G時(shí)代中可能的應(yīng)用
但據(jù)Yole稱(chēng),就SiP和封裝內(nèi)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(tái)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(jí)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(jí)方法將適用于封裝功率放大器(今天仍然采用導(dǎo)線連接)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(fù)雜的RF(射頻)組件/模塊供應(yīng)鏈。通過(guò)使用不同的工藝技術(shù)制造了大量復(fù)雜的RF(射頻)組件。相反,即將出現(xiàn)的是基于先進(jìn)CMOS或者SOI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的SoC中實(shí)現(xiàn)mmWave(毫米波)前端模塊的可能性。
5G mmWave(毫米波)可以在SoC中設(shè)計(jì)RF(射頻)模塊的原因有很多。
首先,5G mmWave(毫米波)意味著移動(dòng)到可用的超帶寬頻譜區(qū)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(jī)的架構(gòu)可以簡(jiǎn)單得多。“
結(jié)果,這也降低了對(duì)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,高線性) “。
她還指出,在4G中,“我們使用每頻段20 MHz信號(hào)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)來(lái)區(qū)分每個(gè)頻段中的每個(gè)信號(hào)。而今天只有BAW(FBAR)器件技術(shù)(MEMS技術(shù))能夠滿足這種要求。“
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(duì)波束進(jìn)行成形,以同時(shí)向多個(gè)用戶發(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CMOS技術(shù)可以發(fā)揮作用。“她補(bǔ)充說(shuō):”在mmWave(毫米波)頻率下,電感變小;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(duì)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(tǒng)的功耗。 “為什么我們需要澄清這件事情?因?yàn)樗鼘?duì)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(zhuǎn)向使用CMOS或者SOI技術(shù)來(lái)在SoC中設(shè)計(jì)5G mmWave(毫米波)射頻前端模塊,目前的射頻前端器件領(lǐng)域?qū)目此剖孢m的RF前端模塊供應(yīng)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(tǒng)中的主要玩家
Troadec指出,英特爾和高通已經(jīng)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器和手機(jī)收發(fā)信機(jī)業(yè)務(wù)。他們非常有希望掌握無(wú)線射頻領(lǐng)域,以提供端到端的解決方案。這些公司的目標(biāo)是“射頻產(chǎn)業(yè)鏈從到A到Z的完整的內(nèi)部設(shè)計(jì)”,她說(shuō)。
假如Broadcom(博通)收購(gòu)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(jī)市場(chǎng)是這兩大巨頭互補(bǔ)業(yè)務(wù)的市場(chǎng)。 Troadec觀察到Broadcom(博通)在無(wú)線和Wi-Fi領(lǐng)域,而Qualcomm(高通)在應(yīng)用處理器單元,調(diào)制解調(diào)器,收發(fā)信機(jī),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(yīng)鏈的整合變化
現(xiàn)在Qualcomm(高通)公司在5G mmWave(毫米波)領(lǐng)域獲得了強(qiáng)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(guó)總統(tǒng)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(gòu)討論,甚至放話要收購(gòu)Broadcom(博通)。”
來(lái)自:萬(wàn)物云聯(lián)網(wǎng)。
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