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本文來自Qorvo公眾號

引言：2017 年，Qorvo 出版了第 1 版《5G 射頻技術 For Dummies》。該書以通俗易懂的語言，幫助業界許多人士掌握了一些圍繞 5G 技術的復雜概念。在之前，我們也做了《科普丨重新認識 5G》、《科普丨了解 5G 核心實現技術》、《科普丨發現 5G 的不同之處》、《科普丨介紹 5G 3GPP 全球頻譜》和《科普丨深入了解 5G NR》五篇報道。

今天，我們將帶大家認識一下 5G 的射頻技術。

5G 愿景的真正實現，還需要更多創新。網絡基站和用戶設備（例如：手機）變得越來越纖薄和小巧，能耗也變得越來越低。為了適合小尺寸設備，許多射頻應用所使用的印刷電路板（PCB）也在不斷減小尺寸。因此，射頻應用供應商必須開發新的封裝技術，盡量減小射頻組件的占位面積。再進一步，部分供應商開始開發系統級封裝辦法（SiP），以減少射頻組件的數量——盡管這種辦法將會增加封裝成本。

系統級封裝辦法正在被用于射頻前端，而射頻前端包含基站與天線中間的所有組件。

一個典型的射頻前端由開關、濾波器、放大器及調諧組件組成。這些技術設備的尺寸不斷減小，并且相互集成度不斷加大。結果，在手機、小蜂窩、天線陣列系統、Wi-Fi 等 5G 應用中，射頻前端正在變成一個復雜的、高度集成的系統封包。

不管怎樣，5G愿景的實現都需要射頻技術和封裝技術的顛覆性創新。

氮化鎵技術

氮化鎵（GaN）是一種二進制 III/V 族帶隙半導體，非常適合用于高功率、耐高溫晶體管。氮化鎵功率放大器技術的 5G 通信潛力才剛剛顯現。氮化鎵具有高射頻功率、低直流功耗、小尺寸及高可靠性等優勢，讓設備制造商能夠減小基站體積。反過來，這又有助于減少 5G 基站信號塔上安裝的天線陣列系統的重量，因此可以降低安裝成本。另外，氮化鎵還能在各種毫米波頻率上，輕松支持高吞吐量和寬帶寬。

氮化鎵技術最適合實現高有效等向輻射基站功率（EIRP），如圖 4-5 所示。美國聯邦通信委員會定義了非常高的 EIRP 限值，規定對于 28GHz 和 39GHz 頻帶，每 100MHz 帶寬需要達到 75 dBm 功率。因此帶來了哪些挑戰？相關設備的搭建既要滿足這些目標，又要將成本、尺寸、重量和功率等保持在移動網絡運營商的預算范圍內。氮化鎵技術是關鍵；相比于其他技術，氮化鎵技術在達到以上高 EIRP 值時，使用的元件更少，并且輸出功率更高。

                        圖 4-5：半導體技術與 EIRP 需求的適應性比較。

對于高功率基站應用，相比于鍺硅（SiGe）或硅（Si）等其他功率放大器技術，在相同 EIRP 目標值下，氮化鎵技術的總功率耗散更低，如圖 4-6 所示。氮化鎵減少了整體系統的重量和復雜性，同時還仍保持較低功耗，因此更適合塔上安裝系統的設計。

氮化鎵技術的部分重要屬性：

由于新增頻帶和載波聚合，再加上蜂窩通信必須與許多其他無線標準共存的事實，干涉問題比以往更加嚴重。要減少頻帶與標準之間的干涉，濾波器技術是關鍵。

 

表面聲波濾波器和體聲波濾波器具有占位面積小、性能優異、經濟適用等優勢，在移動設備濾波器市場上居于主導地位。

 

體聲波濾波器最適合 1 GHz 至 6 GHz 的頻段，表面聲波濾波器最適合 1 GHz 以下的頻段。因此，體聲波的 5G“甜蜜點”是低于 7 GHz 的頻段。體聲波和表面聲波能夠減少 LTE、Wi-Fi、自動通信以及新的 7 GHz 以下 5G 頻率的干涉，同時又能滿足制造商嚴格的體積和性能標準。

 

對于智能手機設計者，5G 的推出對于電池壽命和主板空間又是一個挑戰。隨著每代產品推陳出新，集成的壓力和縮小體積的壓力不斷增加。在較高頻率下工作，意味著功率放大器效率降低，同時天線和線路的損耗增加。另外，5G 手機還需要增加射頻開關，因此帶來更多鏈路預算損失。（所謂“鏈路預算”，是指在電信系統中，從發送器經由電纜、走線等直至接收器，在這一過程中產生的所有增益與損失的總和。）

 

不出意外，從 4G 到 5G，手機里安裝的濾波器數量急劇增加，如圖 4-7 所示。載波聚合是濾波器數量增加的主要促成因素。隨著全球載波聚合以及手機中標準和頻帶的數量越來越多，濾波器技術方興未艾。另外，在載波聚合以及手機性能優化需求的驅使下，濾波器的復雜性也在增加。

圖 4-7：智能手機與集成濾波器技術。

 

體聲波技術的一項優勢就是散熱，如圖 4-8 所示。如前所述，放大器功率的增加導致熱量的增加。如果為補償系統功率損耗或信號范圍問題而增加放大器的功率，則發送濾波器產生的熱量也將增加。該熱量對濾波器的性能和工作壽命都有不利影響，并且會在衰減區域和傳輸頻帶造成頻率偏移。體聲波技術有助于減輕這一問題，因為 SMR 體聲波濾波器（BAW-SMR）產生垂直熱通量，有助于將熱量導離設備。在高頻率下，反射器層變得更薄，這更加有助于體聲波諧振器的散熱。

圖 4-8：SMR BAW 濾波器功率處置方式。

 

射頻技術、封裝及設計

射頻前端由多個半導體技術設備組成。眾多的 5G 應用需要五花八門的處理技術、設計技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿足各個獨特用例的需求。

 

對于 5G 的 7GHz 以下頻段，相應的射頻前端解決方案需要創新封裝辦法，例如，提高組件排列的緊湊度；縮短組件之間的導線長度，以盡量減少損耗；采用雙面安裝；劃區屏蔽；以及使用更高質量的表面安裝技術組件等。

 

所有 5G 用例都需要射頻前端技術。根據射頻功能、頻帶、功率等級等性能要求，射頻半導體技術的選擇不盡相同。如圖 4-9 所示，每個射頻功能和應用分別對應多個半導體技術。這些應用需要五花八門的處理技術、設計技巧、集成辦法和封裝辦法，以滿足各個獨特用例的特定需求。