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开启5G红利,先从射频前端的挑战谈起

如果说2018年是中国的5G元年,那么2019年将会是5G商用落地的关键年。无论是5G智能手机、AIoT、乃至是传统制造业,都会因为传输速率更高、网络容量更大的5G通讯技术,发生翻天覆地的变化。总而言之,一个千亿级的通讯市场,正朝电子元器件行业徐徐走来……

“先别开心得太早!中国5G的正式开场还需要一段时间。”在华强电子网主办的“第四届智能硬件创新创业互动论坛——5G射频前端技术及应用”现场,一位射频前端技术专家在国际电子商情采访时表示。

从整个消费电子产业现状来说,今年只会在个别高端产品上适配5G功能;2020年上半年5G智能手机大范围商用;直到2021年5G产品才会从高端市场下降到中高价位;2022年5G市场才完全打开,走入寻常百姓家。

当前,各大行业热切盼望5G的到来,越快越好!然而实际上,5G需要支持新的频段和通信制式,其中无线连接的核心——射频前端中的核心器件,国产化程度仍旧缓慢,综合实力与国际巨头有一定差距。对于射频领域来说,2019年是5G商用的备战年,中国射频前端技术正面临着巨大的挑战。

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Qorvo现场应用工程师经理江德䶮

作为全球领先的RF创新解决方案提供商,Qorvo拥有市场上最全面的射频前端技术,基本上从整个手机的射频前端、天线调谐、开关、PA等,几乎涉及一整套的射频方案。对于5G将带来的射频挑战,Qorvo现场应用工程师经理江德䶮将其总结为以下五点:

第一,因为新频段的增加,所需的新型器件也随之增加,那么射频设计则是一个巨大的挑战。以天线为例,正常的5G手机将会包含11根天线,5G NR会做4x4 MIMO,因此会有4根天线,LTE也会有4根天线,同时Wi-Fi中需要做2x2 MIMO,这又会需要两根天线,再加上GPS L5天线,总共11根。第二,如此多的天线配置,手机内部的空间并不会增加,这也就产生了一个新的矛盾,即如何在有限的空间中设计出一个符合要求或很好符合用户体验的天线。这需要射频器件具备更高的集成度——Qorvo的方案是将天线做宽,以达到减少天线数量的目的。第三,在今年的5G手机中,主要以NSA为主。5G NSA中必须要求有双发射技术,这是由于LTE与5G在发射部分一起工作,可能带来一些电流干扰以及电磁方面的问题。至于搭载SA技术的5G手机,最早也将在今年年底或明年正式面世。第四,射频前端核心器件的电源功耗问题也至关重要,不能因为5G功能多了,功耗反而变差。第五,目前5G牌照仍未下发,所以三大运营商的需求变化多端,各大射频厂商需要提前准备好几个方案,去灵活应对运营商不同的需求。

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紫光展锐科技有限公司高级市场总监周亚来

在射频芯片方面,目前市场中普通的射频前端价格在5美金左右,而5G射频前端价格大约在10~15美金,因此前景巨大。但研究发现,从3G到4G的发展中全球射频厂家越来越少,洗牌现象显著;而4G到5G的过程中,剩下的“主玩家”基本是国际大厂,它们聚焦的环节更多更广泛,从设计、制造到整体解决方案,全能力成为射频前端厂商的新门槛。目前,以Skyworks、Broadcom/Avago、Qorvo、Murata为代表的国际大厂占据全球射频80%-90%价值,而国内在射频前端制造工艺上基本是一片空白。

作为国内射频前端代表企业的紫光展锐,在面对5G市场更是早有准备。紫光展锐科技有限公司高级市场总监周亚来表示:“紫光展锐正在构建业界最全面的无线通信及物联网产品线,同时也建立了5G通信平台‘马卡鲁’。借此论坛机会呼朋唤友,希望与所有射频合作伙伴一起,全力推进5G进程。”

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华天科技集团CTO于大全

拥有技术创新的不只是5G射频芯片及核心器件,封装领域也在与时俱进。华天科技集团CTO于大全现场介绍了5G的晶圆级封装集成技术,他表示:“5G主要分为三段,分别是5G毫米波(28-60GHz)、5G sub-6GHz、5G物联网(sub-1GHz),越高频段对于小型化封装的要求也就越高。目前射频SiP封装包含10-15个异质芯片(硅基、Ⅲ/Ⅴ等),在5G时代,智能手机总的RF器件数量将大幅增加,SiP、芯片集成技术将获得更广泛用。”

此外,于大全还对未来5G封装趋势进行了预测。他表示,未来毫米波将需要更高密度的芯片集成,以实现更小化信号路径并保持低损耗。这需要寻找低损耗材料、天线集成、集成芯片封装架构的调整、屏蔽方法等等。可以预见的是,晶圆级硅、玻璃转接板以及扇出型封装技术将成为核心角色。

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迦美信芯通讯技术有限公司董事长兼CTO倪文海

“要有危机感!”作为天线调谐芯片生产厂商的迦美信芯通讯技术有限公司,董事长兼CTO倪文海对于“5G射频挑战”有自己独到的观点:“如今,手机全面屏对于天线设计是一个挑战,因为天线空间变小,所以天线调谐器也成为了必需品,它可以在有限的空间中将天线收发性能发挥到最好。而迦美信芯为何能有机会?就是因为天线调谐芯片基本不会被集成,而是与其他器件共同摆放的。同时,随着5G天线的增多,天线调谐厂商也将会得到更多机遇。”

他补充分析道,因为如今天线形状已经固定为U型或者倒U,以前没有天线调谐时天线厂商可以设计各式各样的天线进行竞争,但现在这个优势已经逐渐消失了。同时,由于天线调谐容易调动的部位是高压部分,解决耐压问题也刻不容缓。

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美国国家仪器半导体事业发展部经理牛学文

通常来讲,设备制作、测试先行,这对于5G射频前端也不例外。美国国家仪器半导体事业发展部经理牛学文认为:“在5G测试尤其是毫米波段存在一些挑战,如测试项目的指数级增长、更具挑战性的射频需求、标准快速迭代下激烈的市场竞争等。而在5G毫米波频段,又会诞生许多新的挑战,如新的数字频段、OTA测试、波束成形等,面对这些测试困境,NI研发了智能测试系统,它不仅仅只是一个固定的功能性工具,更是为自动化定制而构建的,能够涵盖验证到生产的整个过程,最终目标也是更全面地满足业务需求。”

“从目前的情况来看,在毫米波芯片架构选择上都会存在相控阵晶片,而相控阵天线晶片中的毫米波通道将会有16个,这意味着在天线阵列中将有16根天线共存,因此如果要测试仪器,则需要拥有16个毫米波通道,这在测试成本上是一个极大的增长。”

除此之外,5G天线中还有一个关键,那便是指向性天线,即波速成形,如何对这些指向性天线进行测试,牛学文认为:“目前针对指向性如何在OTA的环境中被测试,我们的方案是要么旋转待测物,要么旋转天线。当然这种方式在实验室中进行测试是比较容易的,但难点在于如何在量产后对成千上万个天线进行一致性测试,目前行业还没有一个确切的方案。”

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苏州希美微纳系统有限公司创始人兼首席科技顾问刘泽文

在RF开关中有多年技术沉淀的苏州希美微纳对此也提出了自己的见解,苏州希美微纳系统有限公司创始人兼首席科技顾问刘泽文表示:“RF 开关是5G和未来通讯前端和基站中的重要器件,而RF MEMS开关性能优越,是5G与未来通讯系统中的最佳选择。值得强调的是,信号经过希美设计的RF MEMS开关后,其衰减值将变得很低。当前,在RF MEMS器件的道路上,希美也将有望走向前列。”

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苏州捷研芯纳米科技有限公司副总王建国

随着5G的到来,手机射频前端模块和组件市场发展神速,其中滤波器更是重点。预计到2020年,5G应用支持的频段数量将实现翻番,新增50个以上通信频段,全球2G~5G网络合计支持的频段将达到91个以上。

“这将带动射频滤波器产业的大爆发!” 苏州捷研芯纳米科技有限公司副总王建国用一则数据来证明他的观点,“根据高通的预测数据,2020年滤波器市场规模将达到130亿美元。预计2022年手机RF前端模块和组建市场达227亿美元,复合年增长率为14%,滤波器复合年增长率为21%。如果再考虑上物联网接入,滤波器和射频前端的需求还将增大。”

至于SAW、BAW的封装趋势,未来将呈现向小型化、改进器件形式、组合式迈进的趋势。苏州捷研芯目前正专注CSP-3封装技术,通过芯片和基片之间空腔的闭合方式创新已发展至第三代,以逐步实现器件封装的微型化、可量产、低成本、高精度、集成化。

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哈工大(深圳)电子与信息工程学院院长张钦宇

论坛的压轴戏,是来自哈工大(深圳)电子与信息工程学院院长张钦宇的《5G智能天线分析》。张院长表示:“5G对于智能天线要求大带宽、低延迟、广域覆盖、频谱效率、移动性、高密度,因此也诞生了大规模阵列天线技术及多用户动态波束赋形技术,这些技术能够帮助5G更好的服务消费者。同时在未来,太赫兹波通信将成为宽带无线通信的趋势,新型电磁材料天线技术也将成为智能天线技术的演进方向。”

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