“4g改变生活,5g改变社会。”随着2019年我国5g商用正式启动,5g网络基建已如火如荼地全面铺开,所有领先的智能手机厂商都争先恐后推出新款5g智能手机。据strategy analytics的报告指出,2020年全球5g智能手机的销量预计将达到2.5亿部,而2019年为1820万部,同比增长1282%。预计2021年5g智能手机的出货量将达到4.5亿至5.5亿部。不仅是5g智能手机的爆发增长,业界也普遍认为,具有高速度、低时延、高可靠等特点的5g,将让万物互联得以实现。而5g与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合,将驱动着生产力的发展革新。
5g改变社会
每一次通信升级都会对现有产业格局带来颠覆性变革,5g智能手机面临更多频段的支持、不同的调制方向、信号路由的选择、开关速度的变化等挑战,以及需要大规模输入输出(massive mimo)、波束成形(beam forming)、载波聚合(carrier aggregation)、毫米波(mmwave)等关键技术的引入。5g要求智能手机将额外的射频复杂性压缩到基本相同的空间中,这需要创新的方法来支持多个同时上行链路和下行链路连接的需求。射频前端技术必须能支持这种巨大的带宽,同时提供非常高的线性度和功耗管理能力。5g必将对射频前端形态产生影响,并推动着射频前端技术不断革新。
5g智能手机射频前端的复杂性(不包括毫米波频段)
射频前端介于天线和射频收发器之间,作为手机通信功能的核心组件,直接影响着手机信号的收发质量和终端用户的通信效果,其技术创新推动了移动通信技术的发展,是现代通信技术的基础。典型的智能手机射频前端模组主要由功率放大器(power amplifier,pa)、低噪声放大器(low noise amplifier,lna)、天线开关(antenna switch)、双工器(duplexer)、滤波器(filter)、天线调谐器(antenna tuner)以及集成无源器件(integrated passive device,ipd)等组成。
智能手机射频前端的基本构成(来源:高通)
随着智能手机全面屏和轻薄化发展,以及更多射频元件的需求,内部硬件空间被进一步挤压,对射频前端器件设计和高度集成化提出了更高的要求。全面屏设计缩小了天线可用的边框区域,而5g对天线数量的需求又在增加,因此需要在更小的空间容纳更多的天线。集成模块是实现满足的关键,同时还可以在分配给射频前端模组有限空间内添加新的射频功能,将各个器件集成到模块中可减少由板上匹配引起的信号损失。与此对应的是,材料、工艺、封装技术也在不断跟随。射频前端器件的工艺“兵分两路”,pa、lna和开关主要基于ic工艺,如gaas、gan、cmos等;而saw和baw滤波器则广泛采用mems工艺,如压电薄膜沉积。模组化趋势亦让sip(系统级封装)大有可为,目前集成度不同的射频前端模组种类较多,例如asm(天线开关模组)、femid(双工器集成的前端模组)、pamid(双工器集成的功率放大器模组)等,其中模组化程度最高的是pamid。
从4g到5g,射频前端元件数量增加导致pcb面积增加而带来的挑战(来源:qorvo)
当前射频前端市场主要掌控在博通(broadcom)、qorvo、skyworks、村田(murata)、高通(qualcomm)等美日厂商手中,这几家厂商基本完成了射频前端全产品线布局,拥有从设计到制造、封测的全产业链能力,以idm模式巩固其在设计能力、产品性能及产能掌控的巨大优势。虽然近两年国内射频前端厂商逐步崭露头角,产业链走向成熟,但从国际竞争力来讲,国内射频前端设计水平的提升空间仍较大,市场话语权有限,距离进口替代仍有较大缺口。中国通信行业在经历2g落后、3g追赶、4g持平的阶段后,正在谋求5g时代对欧美的超越。特别是中美贸易战硝烟四起,美国持续对我国进行芯片贸易禁运,剑指中国5g技术发展。如何突破国外大厂专利封锁和芯片断供风险,中国“芯”任重道远。
为了满足广大射频前端从业人员对知识的渴望,麦姆斯咨询精心设计了《“见微知著”培训课程:射频前端核心技术》,邀请了射频前端核心技术领域的知名专家和学者,以及产业界的资深从业人士,为大家深入剖析5g时代对射频前端的要求。本课程内容包括:(1)射频前端综述及体声波(baw)滤波器;(2)声表面波(saw)滤波器;(3)天线调谐器和多输入多输出(mimo);(4)射频功率放大器(pa);(5)射频低噪声放大器(lna);(6)mems谐振器和振荡器;(7)射频集成无源器件(ipd);(8)射频前端元器件设计与仿真。
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