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5G時代將為射頻前端帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 慧智微    2023-11-01

（1）5G 射頻功率放大器技術(shù)難度明顯提升，推高射頻 PA 公司產(chǎn)品升級的技術(shù)門檻

在 4G 時代，無線通信的頻率一般最高不超過 3GHz，帶寬一般不超過 20MHz。為了進(jìn)一步提高通信速率，5G 通信要求更高的通信頻率、更大的通信帶寬。2017 年 12 月，《3GPP Release 15 5G NR 規(guī)范》（簡稱 R15）獲得 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會通過，成為商用 5G 產(chǎn)品的基礎(chǔ)。2020 年 7 月，3GPP Release 16 版本正式通過，R16 不僅增強(qiáng)了 5G 的功能，還更多兼顧了成本、效率、效能等因素，使通信基礎(chǔ)投資發(fā)揮更大的效益。

該規(guī)范規(guī)定 5G NR（5G 新空口）頻譜包含Sub-6GHz 的頻率范圍 1（FR1）和毫米波的頻率范圍 2（FR2），其中 FR1 的頻率范圍為410 MHz – 7125 MH（z 因大部分頻譜規(guī)劃及R15版本均在6GHz以下，業(yè)界通俗稱 sub-6GHz），F(xiàn)R2 的頻率范圍為 24250 MHz - 52600 MHz。

考慮到經(jīng)濟(jì)性和兼容性，5G FR1 是目前全球主流的 5G 部署頻段，5G NR 在 FR1 Sub-6GHz的頻率范圍內(nèi)共定義多個頻段，其中包含了與 4G LTE 協(xié)議復(fù)用頻段的 5G 重耕頻段，該類頻段的通信頻率一般低于 3GHz；以及 5G 新頻段，該類頻段的通信頻率一般介于 3GHz 到 6GHz 之間。思瀚發(fā)布《2023-2028年國內(nèi)射頻前端行業(yè)市場現(xiàn)狀及發(fā)展研究報告》

FR1 的 5G 新頻段中 n77、n78 和 n79 已成為 5G 在 Sub-6GHz 頻率的部署主力頻段，頻率范圍覆蓋 3.3GHz 至 5.0GHz。此頻段的 PA 設(shè)計難度大幅增加，首先，5G 新頻段的通信頻率相比 4G 大幅提升，高頻要求更高的放大功率以抵減傳播路徑損耗，大大提升了 PA 的設(shè)計難度；其次，5G 新頻段的信號通信帶寬大幅超過 4G 通信的信號帶寬，PA 芯片在支持大帶寬信號時會帶來增益下降，推高功率的難度進(jìn)一步提升；

同時 5G 寬帶通信系統(tǒng)會帶來較高的峰均比，從而導(dǎo)致 PA 線性度較難保障，為解決線性度難題 PA 需要設(shè)計較大的功率回退，從而導(dǎo)致 PA 的效率下降、發(fā)熱增加，因此提升 PA 效率又成為設(shè)計難點；最后，由于射頻前端需同時兼容更多的通信線路，器件數(shù)量上升，在有限的面積下需要更高的集成度，5G 射頻前端集成化模組的設(shè)計越來越重要。因此，更高頻率的5G 新頻段為射頻前端、功率放大器芯片的設(shè)計帶來較大挑戰(zhàn)。

進(jìn)一步地，在 5G毫米波通信領(lǐng)域，通信頻率處于 30GHz 左右，通信頻率大幅提升，依賴全新的射頻前端器件硬件結(jié)構(gòu)和工作方式，對射頻前端技術(shù)的要求進(jìn)一步提升。在 5G重耕頻段，盡管通信頻率與 4G 共頻，但對帶寬的要求進(jìn)一步增加，寬帶通信導(dǎo)致 PA 線性度及功率增益較難保障。

綜上所述，5G 通信技術(shù)為 PA 芯片的設(shè)計帶來較大挑戰(zhàn)，射頻 PA 廠商必須跨越 5G 射頻的技術(shù)門檻，快速推出性能優(yōu)良、成本適宜的射頻前端芯片，才能在與國際廠商的競爭中取得一席之地。此外，PA 芯片一般均會采用砷化鎵材料相關(guān)工藝，其與主流的硅基工藝差異較大，熟悉砷化鎵器件的特性并積累砷化鎵器件的設(shè)計經(jīng)驗均需要較長時間，對于從事濾波器、LNA、開關(guān)、天線等其他射頻前端公司而言，具備較高的進(jìn)入壁壘。

（2）5G 射頻模組中 PA 芯片的重要性進(jìn)一步提升，產(chǎn)業(yè)影響力進(jìn)一步凸顯

在 3GHz 以下的通信頻段內(nèi)，無線通信主力部署的通信頻率主要集中在1GHz~3GHz，包含了大量 FDD LTE、TDD LTE 及 TD-SCDMA 等無線通信頻段并最早支持載波聚合，同時還包含 GPS、Wi-Fi 2.4G、藍(lán)牙等重要的非蜂窩通信頻段，導(dǎo)致該頻段范圍內(nèi)各通信頻段的分布較為密集，處理密集頻段間的干擾主要依賴濾波器。因此，多頻段、高性能的濾波器和雙工器在 3GHz 以下通信頻率的重要性極高，而該頻段商用時間較長，PA 技術(shù)已經(jīng)相對成熟，已有多家國產(chǎn)射頻前端公司在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

隨著 5G 通信向 3GHz 以上通信頻率拓展，該頻段范圍內(nèi)頻譜資源豐富，干擾頻段較少，對濾波器性能的要求相對下降，而 PA 芯片的設(shè)計難度大幅提升。因此，在 3GHz 以上通信頻段中高性能 PA 的重要性逐漸凸顯，已成為 5G 新頻段射頻前端的關(guān)鍵瓶頸。

Yole 在《5G’s Impact on RF Front-End and Connectivity for Cellphones report，2019》中針對濾波器和雙工器供應(yīng)鏈趨勢作出分析：手機(jī)廠商除了傳統(tǒng)的獨立元器件或射頻前端模塊的模式，越來越多開始嘗試其它創(chuàng)新的手段，由 PA 廠商統(tǒng)一整合濾波器到 PA 模塊中，從而在體積、性能以及上市時間上贏得優(yōu)勢。由此可見，PA 芯片在 5G 射頻供應(yīng)鏈中將占據(jù)主導(dǎo)位置，整合其他射頻前端器件資源，成為面向終端客戶的直接供應(yīng)商，產(chǎn)業(yè)影響力進(jìn)一步提升。根據(jù) Yole 預(yù)測，

2019 年至 2026 年功率放大器模組、FEM 模組、AiP 模組等集成化領(lǐng)域增速較快，而分立濾波器的增速相對較慢，體現(xiàn)了集成化趨勢下對射頻前端產(chǎn)業(yè)帶來的深刻影響。

（3）5G 通信對射頻前端的集成度要求更高，對射頻廠商的系統(tǒng)化設(shè)計能力提出挑戰(zhàn)

4G LTE 通信時代射頻前端既可以采用分立方案，也可以采用模組方案，一般而言采用模組方案可以獲得更高的集成度和更優(yōu)的性能，主要用于高端手機(jī)，而采用分立方案亦能滿足需求，但其性能中等，主要用于中低端手機(jī)。為滿足5G 通信需求，射頻前端器件的數(shù)量大幅上升，在智能手機(jī)空間受限下無法采用分立方案，且采用分立方案將帶來較長的終端調(diào)試周期和調(diào)試成本。因此，在5G 新頻段領(lǐng)域一般采用 L-PAMiF、L-FEM 等模組形式。

在射頻前端模組化趨勢下，一方面要求射頻前端公司擁有較強(qiáng)的芯片設(shè)計能力，包括 PA、LNA、開關(guān)、濾波器等，盡可能覆蓋各類型的器件類型從而提升模組的一致性和可靠性，提升開發(fā)效率；另一方面，射頻前端集成度的提高，需要射頻前端公司具備較強(qiáng)的集成化模組設(shè)計能力，通過優(yōu)化器件布局，提高集成度和良率，從而提升射頻前端的整體性能，同時還要求射頻前端公司具備良好的SiP 封裝工藝積累，尤其是采用有利于提高射頻前端模組性能和集成度的倒裝（Flipchip）封裝工藝，考驗射頻前端廠商在芯片設(shè)計與封裝設(shè)計的結(jié)合能力。