在7月中旬于蘇州舉辦的射頻設(shè)計(jì)與測(cè)試論壇上，Qorvo 公司高級(jí)銷售經(jīng)理趙玉龍發(fā)表了一個(gè)題為《5G 射頻前端的終局之戰(zhàn)：毫米波》的演講。

他首先指出，在最近幾年，隨著 5G 的到來，整個(gè)射頻前端產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展，產(chǎn)品形態(tài)也從離散的器件，發(fā)展到模組化，并隨之出現(xiàn)了很多新的名詞，比如 PAMiD，PAMiF，DiFEM 等等。

趙玉龍進(jìn)一步指出，5G 的主要頻率分為兩個(gè)階段，分別是 FR1 和 FR2。而演講里談到的毫米波，正是屬于 FR2 階段關(guān)注的技術(shù)重點(diǎn)。在進(jìn)入這個(gè)階段后，對(duì)射頻前端也提出了更高的需求。作為一個(gè)射頻供應(yīng)商，Qorvo 一直專注的方向是如何讓數(shù)據(jù)流更寬、如何讓傳輸?shù)酶臁⒏行?。這也是 Qorvo 未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

在具體談毫米波之前，趙玉龍先生用一個(gè)蛋糕和金字塔模型，展現(xiàn)了從 FR1 過渡到 FR2 帶給行業(yè)的變化。

據(jù)趙玉龍介紹，按照不同應(yīng)用場(chǎng)景，客戶有不同的需求。例如在郊區(qū)和城鄉(xiāng)結(jié)合部，客戶更需要的是廣泛的覆蓋。在中環(huán)和內(nèi)環(huán)一般商務(wù)和住宅區(qū)，客戶則對(duì)數(shù)據(jù)速率有了一定的要求；來到高端寫字樓、高鐵站和飛機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)景，對(duì)數(shù)據(jù)流量和高密度連接有較大的需求，這也是 5G 毫米波發(fā)揮功用的地方。

除了應(yīng)用場(chǎng)景以外，我們也需要關(guān)注一下頻率，因?yàn)檫@是一種非常寶貴的資源。在低層，也就是需要實(shí)現(xiàn)廣范圍覆蓋的地方，我們可以用 1Ghz 以下的頻率來實(shí)現(xiàn)；在中間那個(gè)位置，1Ghz 到 7Ghz 的頻段能夠滿足終端客戶的需求；在更上面的一層，則需要 24Ghz 以上的頻段。

“在以上不同的頻段間，我們可以看到他們能提供不同的帶寬體驗(yàn)，也能給相關(guān)的廠商帶來不同的挑戰(zhàn)，當(dāng)中最直接就體現(xiàn)在射頻前端上”，趙玉龍接著說。為了更好地說明這些變化，他以 FR1 中 1Ghz 到 7Ghz 頻段和 FR2 中的高頻段對(duì)射頻的不同需求做了詳細(xì)說明。

如下圖所示，在 1Ghz 到 7Ghz 頻段（典型頻段如 Band 2、Band 3、Band 41、n78 和 n79），整個(gè)信號(hào)對(duì) PAR 要求更高，那就意味著因?yàn)樾盘?hào)攜帶大量數(shù)據(jù)，更高階的調(diào)制帶來信號(hào)幅度和相位的劇烈抖動(dòng)。

同時(shí)，單載波在這個(gè)頻段也可以達(dá)到 100Mhz 的頻率帶寬。作為對(duì)比，2G 的頻率帶寬是 0.2M，3G 的頻率是 3.84 G，4G 的頻率帶寬也僅為 20M，這足以說明這個(gè)頻段帶來的明顯提升。當(dāng)然，因?yàn)橛?100M 的信號(hào)會(huì)通過我們的 PA 和濾波器，我們可以看遇見其到其帶來的挑戰(zhàn)。

從上圖我們還可以看到獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)給射頻前端帶來的需求。此外，在包括更小的射頻器件面積、FDD 模式下連續(xù)發(fā)射信號(hào)的 PA 效率、射頻前端的損耗比以前大、SRS 帶來的天線問題、更大的屏占比和更薄的電池等多個(gè)要求推動(dòng)下，射頻前端在 FR1 時(shí)代已經(jīng)做出了一個(gè)不小的改變，從上圖右邊藍(lán)色部分可以看到產(chǎn)業(yè)為了解決相關(guān)問題而做的一些應(yīng)對(duì)之策。毫無疑問，砷化鎵 HBT 的工藝，已經(jīng)成為了不二選擇。

來到了 FR2 階段，行業(yè)則對(duì)射頻射頻前端提出了更高的要求。但從趙玉龍的介紹我們得知，在 Qorvo 看來，GaAs pHEMT 工藝會(huì)是毫米波時(shí)代一個(gè)非常有前景的技術(shù)。

趙玉龍表示，在毫米波時(shí)代，多載波的帶寬可以做到 400Mhz，同時(shí)還要采用 1×2 或者 1×4 的天線陣列模式?！笆聦?shí)證明，現(xiàn)在在一個(gè)手機(jī)里面需要配備兩到三個(gè)，或者三到四個(gè) AiP 的模組”，趙玉龍接著說。

據(jù)介紹，在手機(jī)上下行的鏈路中，最困擾運(yùn)營商和 OEM 的一個(gè)問題是手機(jī)的上行功率不太夠。也就是說手機(jī)往基站發(fā)信號(hào)的功率比較小，而從基站到手機(jī)的下行功率則可以通過基站的多天線，或者基站增大功率解決。

“諸如發(fā)熱、方向性、手機(jī) ID 設(shè)計(jì)和前端插損等因素也會(huì)給 FR2 下的手機(jī)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)”，趙玉龍?jiān)跁?huì)上強(qiáng)調(diào)。按照他所說，要解決這些問題，就需要尋找一個(gè)優(yōu)化的半導(dǎo)體制程來實(shí)現(xiàn)。而 OTM（Optimum Technology Matching）就是 Qorvo 看中的一個(gè)方向。

趙玉龍?jiān)跁?huì)上指出，通過引入 OTM，能夠?yàn)?a target="_blank">開發(fā)者帶來很好的效果，當(dāng)中包括但不限于天線陣列在同樣輸出功率的前提下變得更小、效率會(huì)更高等。通過下圖的一個(gè)對(duì)比范例，我們可以看到其中的價(jià)值。

如上圖左所示，在 2020 年推出的一款手機(jī)，開發(fā)者在其上用了三個(gè) AiP 的模組。然而在 2021 年推出的一款手機(jī)里，則只有兩個(gè) AiP 模組。在這個(gè)演變期間，運(yùn)營商不但要求手機(jī)的上行發(fā)射功率能做得更高，還要求在產(chǎn)品的發(fā)熱方面要做到更好的控制。至于 HMOV 這樣的手機(jī) OEM，他們不但希望射頻前端擁有更小的尺寸、更小的 AiP 和毫米波模組，還希望提供非常有競(jìng)爭(zhēng)力的成本。

“在這么多的需求鞭策下，現(xiàn)有的單芯片 CMOS 方案是無法解決現(xiàn)有的問題。這就驅(qū)使 Qorvo 去尋找新的解決方案”，趙玉龍強(qiáng)調(diào)。他進(jìn)一步指出，如下圖所示，基于單芯片硅的毫米波設(shè)計(jì)可以分成幾個(gè)部分。其中橙色框代表 memory、混頻，鎖相環(huán)和 I/O 等模塊。中間部分則包括各種功分器合路器等等的 RFIC，最右邊則是我們熟悉的 PA、LNA 和 Switch 等射頻器件。

這幾個(gè)部分組成的一個(gè)產(chǎn)品，就是我們俗稱的 FEM，也就是所謂的射頻前端模組。這個(gè)模組跟天線靠的是非常近，這也是我們?cè)?FR1 時(shí)代采用的 FEM 概念。但來到了 FR2 時(shí)代，Qorvo 則又提出了一個(gè)不同的方式。

如下圖藍(lán)框內(nèi)所示，他不但包括了一個(gè)擴(kuò)展的射頻前端模組 eFEM（external Front End Mdule）。還包括了 Beamforming RFIC （內(nèi)含混頻器、鎖相環(huán)等器件），當(dāng)然，電源管理芯片也是這個(gè)設(shè)計(jì)不可或缺的一個(gè)重要組成部分。

“這是一個(gè) Qorvo 在推動(dòng)，并認(rèn)為非常有前景的設(shè)計(jì)”，趙玉龍強(qiáng)調(diào)。從他的介紹我們得知，在 eFEM 中集成了兩種不同工藝的優(yōu)勢(shì)。除了用 GaAs pHEMT 工藝來做 PA 以外，這個(gè)設(shè)計(jì)還用了 SOI 來做 LNA 和 Switch。據(jù)趙玉龍所說，Qorvo 在這個(gè)設(shè)計(jì)中用最佳的工藝來做最好的事情，這正是 Qorvo OTM 的宗旨。

雖然采用了不同的設(shè)計(jì)，但趙玉龍表示，基于這個(gè)新技術(shù)打造的芯片仍然可以做成 AiP 的方式，Qorvo 也正在和一些前沿合作伙伴以及品牌正在推動(dòng)這個(gè)設(shè)計(jì)成為主流。因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)與純硅的設(shè)計(jì)相比，有很大的不同，為此有很多開發(fā)者對(duì)如何將這個(gè)新方案與原有的 CMOS 方案適配倍感疑惑。但如上圖所示，這與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)一樣，都是通過數(shù)據(jù)接口等不同的連接方式實(shí)現(xiàn)的。

“換而言之，這種新設(shè)計(jì)與當(dāng)前 FR1 中使用的模組概念，并沒有太大區(qū)別”，趙玉龍強(qiáng)調(diào)。這也意味著新設(shè)計(jì)并不會(huì)給客戶從 FR1 到 FR2 的過渡帶來太大的障礙。

我們?cè)偕钊肟匆幌?Qorvo 正在研發(fā)的這個(gè)模組。正如上文所示，中間部分是用 SOI 做得 LNA、switch 和 controller 等器件，周邊則是放了四顆基于 GaAs pHEMT 打造的 PA，這就給整個(gè)設(shè)計(jì)帶來了靈活性。

“因?yàn)樵谶@個(gè)設(shè)計(jì)中，是把不同的 die 封裝在一起，因此我們可以根據(jù)客戶的需求，做不同的配置，滿足不同的需求，給他們帶來更優(yōu)的解決方案”，趙玉龍說。為了避免不同部件之間的頻率干擾，Qorvo 還為整個(gè)設(shè)計(jì)了一個(gè)叫做“銅柱”的產(chǎn)品，來對(duì)這些器件進(jìn)行隔離讓不同的功能單元，分布在不同的腔體里。

據(jù)趙玉龍介紹，與傳統(tǒng)的 CMOS 設(shè)計(jì)相比，Qorvo 的這個(gè)的新設(shè)計(jì)，不但能提供更大的發(fā)射功率，尺寸也能做到更小，在靈活性和接收靈敏度方面，也比純 CMOS 的單芯片更有優(yōu)勢(shì)，達(dá)成了更好的效果。

趙玉龍舉例說到，在實(shí)現(xiàn)一個(gè) 1×4 的雙極化八通道毫米波模組的時(shí)候，如果選用純 CMOS 的單芯片方案來做的時(shí)候，如果要做到 11dmm 的 channel，則需要 1.8W 的直流功耗。如果采用 Qorvo 的 eFEM 設(shè)計(jì)，達(dá)到同樣的效果，則僅需要 1.02W 的功耗，新設(shè)計(jì)帶來的效率提升是顯而易見的。

如果我們把整個(gè)向上的發(fā)射功率增加到 14dbm，在這種情況下， eFEM 設(shè)計(jì)的功耗是一樣，那就意味著在同樣功耗的情況下，可以將發(fā)射功率提升一倍。

如果我們把向上的發(fā)射功率增加到 17dbm，同時(shí)還把天線陣列從 1x4 變成 1x2，這樣的話整個(gè) AiP 設(shè)計(jì)更小，成本更低。但這時(shí)候我們可以看到，整個(gè) AIP 的發(fā)射功率不變化，但他的直流功耗變小了，天線設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單了，對(duì)智能天線的 beamforming 快速捕捉會(huì)更快。這都是 OTM 設(shè)計(jì)帶來的好處。

“我們展望一下，如果行業(yè)導(dǎo)入中心化 Transceiver 的概念，并在周邊布置很多 eFEM 的 die，這樣能帶來設(shè)計(jì)靈活性提高，同時(shí)成本和尺寸也會(huì)降低，也能讓毫米波模組的成本更有競(jìng)爭(zhēng)力”趙玉龍說。

編輯：jq