5G網(wǎng)絡(luò)的RFFE 模塊設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜

用于 5G 網(wǎng)絡(luò)的 RFFE 模塊需要高度集成，提供更高的效率，并支持更多的頻段和天線。

與之前的 4G 技術(shù)相比，第五代 (5G) 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)引入了顯著變化，包括使用多個(gè) sub-1-GHz、1 至 6-GHz 和 6-GHz 以上(毫米波頻率)頻段. 除了增加帶寬外，5G 技術(shù)還提供低延遲(小于 1 毫秒)、高數(shù)據(jù)速率(高于 10 Gbits/s)和高連接密度。為了支持 5G 技術(shù)所需的高性能，射頻前端模塊(也稱為 RFFE 模塊)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

RFFE 模塊管理天線和 RF 調(diào)制解調(diào)器之間的傳輸和接收信號(hào)路徑。RFFE 的電路通常包括 Rx 中的低噪聲放大器 (LNA)、Tx 中的功率放大器 (PA)，以及各種類型的濾波器、開關(guān)和雙工器，具體取決于具體的用例。對(duì)于 LNA，關(guān)鍵因素是高靈敏度和選擇性，而對(duì)于 PA，主要關(guān)鍵因素是非線性。

簡(jiǎn)化的 RFFE 結(jié)構(gòu)為：收發(fā)器模塊由兩個(gè)混頻器組成，一個(gè)用于上變頻(在傳輸中)，一個(gè)用于下變頻(在接收中)。在第一種情況下，中頻 (IF) 與本地振蕩器的頻率相加，以獲得用于傳輸?shù)?更高)頻率。在第二種情況下，混合器執(zhí)行相反的操作;即從信號(hào)中減去本振頻率，得到中頻。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是中頻信號(hào)的處理比原始信號(hào)的處理簡(jiǎn)單得多(在5G的情況下可以達(dá)到幾十吉赫)，并且允許使用高速商業(yè)模擬數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。

RFFE 模塊的復(fù)雜性隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的引入而大幅增長(zhǎng)，這主要是由于頻段數(shù)量及其組合(需要使用特定組件和濾波器)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，以及可用頻段的減少。印刷電路板上的空間。5G 技術(shù)有超過 10,000 種可能的可用頻率組合，需要使用不同的電子技術(shù)，從 CMOS(頻率高達(dá)約 7 GHz)到砷化鎵 (GaAs) 和氮化鎵 (GaN)，頻率更高。

RFFE 模塊的新挑戰(zhàn)

除了頻段的指數(shù)增長(zhǎng)外，5G 還帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如波束成形和 5G NR 大規(guī)模多輸入多輸出 (MIMO)，這需要采用完全不同的方法來(lái)設(shè)計(jì) RFFE 解決方案。

波束成形是一種技術(shù)，可讓您將毫米波 (mmWave) 無(wú)線信號(hào)聚焦在特定方向，而不是像普通無(wú)線電信號(hào)傳播技術(shù)那樣覆蓋或多或少的大區(qū)域。5G 系統(tǒng)上可用的大量天線允許基站將水平和垂直波束聚焦到特定用戶，從而提高容量和數(shù)據(jù)速率。

毫米波運(yùn)行的 6 GHz 以上頻譜提供了寬帶寬，但也增加了信號(hào)傳輸和傳播的復(fù)雜性。事實(shí)上，它需要 RFFE 設(shè)計(jì)來(lái)最大限度地減少由于樹葉或雨水造成的傳播損失，并降低氧氣和水的吸收。

5G NR 大規(guī)模 MIMO 允許您增加基站上的天線數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)空間分集(通過在不同傳播路徑上傳輸相同數(shù)據(jù)獲得更高的可靠性)和空間復(fù)用(同時(shí)傳輸多個(gè)消息)等高級(jí)功能。

由于還必須通過移動(dòng)用戶和基站之間的相互移動(dòng)來(lái)保證這些特性，因此需要專門為 5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的射頻解決方案，并且能夠管理 sub-6-GHz 和毫米波頻段，同時(shí)提供更小的尺寸和功率吸收。

5G 技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵要求是延遲。超可靠低延遲通信 (uRLLC) 是 5G NR 的支柱之一，需要小于 1 毫秒的延遲(在 4G 系統(tǒng)中，延遲要求在 50 到 98 毫秒之間)。這使 5G 能夠支持創(chuàng)新和關(guān)鍵用例，例如自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、工廠自動(dòng)化和車輛之間的通信(V2V 和 V2X)。

更高數(shù)量的頻率不可避免地導(dǎo)致濾波器數(shù)量的增加。與覆蓋廣泛頻率的 PA 不同，必須為每個(gè)單獨(dú)的頻帶設(shè)計(jì)濾波器。當(dāng)前的趨勢(shì)是將這些濾波器(主要采用聲表面波 (SAW) 和體聲波 (BAW) 等基于聲學(xué)的濾波器技術(shù)制成)與 LNA 和 PA 一起集成到單個(gè) RFFE 組件中(參見圖 1) .

與支持 5G 的 RFFE 模塊的演進(jìn)相關(guān)的三個(gè)主要趨勢(shì)。這些是從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 解決方案的采用以及寬帶隙 (WBG) 材料的使用。

· 某些 RF 功能從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換：傳統(tǒng)上以模擬形式實(shí)現(xiàn)的某些信號(hào)處理(例如濾波和上下轉(zhuǎn)換)現(xiàn)在可以完全由數(shù)字電路處理，通常是數(shù)字信號(hào)處理器。這允許項(xiàng)目的某些部分具有更大的靈活性、更低的成本和可重用性。

· 采用 SIP 解決方案：SIP 封裝能夠在同一芯片中集成越來(lái)越多的功能。這允許降低成本、尺寸和功耗。

· WBG 材料的使用：GaN 等 WBG 材料正被用于構(gòu)建放大器和其他功率器件，與硅相比具有多種優(yōu)勢(shì)，包括更高的效率、更小的占位面積和更好的熱管理。

RFFE模塊集成度更高

領(lǐng)先制造商提供的射頻組件具有基于工作頻率、載波信道帶寬和射頻應(yīng)用的特性。在 5G 的特定情況下，OEM 通常會(huì)提供基于不同技術(shù)的高度集成的解決方案。

例如，Qualcomm Technologies Inc. 推出了 RFFE 解決方案，以支持其最新的Snapdragon X70 調(diào)制解調(diào)器-RF 系統(tǒng)的性能和能效，該系統(tǒng)基于之前的 X65、X60、X55 和 X50 解決方案，支持所有商用 5G 頻段。 600 MHz 至 41 GHz(圖 2)。Qualcomm 的 RFFE 解決方案在調(diào)制解調(diào)器和天線之間集成了多個(gè) RF 組件。

驍龍 X70 產(chǎn)品組合包括：

· QET7100 號(hào)稱是首款多模、多輸出、多功率放大器、寬帶包絡(luò)跟蹤解決方案，支持全球 5G、sub-6-GHz 和 LTE 頻段。該設(shè)備的能效比同類競(jìng)爭(zhēng)解決方案高 30%，并支持新 5G 頻段的 100-MHz 帶寬。

· Qualcomm AI-Enhanced Signal Boost，號(hào)稱是第一個(gè)通過人工智能算法增強(qiáng)的 5G 自適應(yīng)天線調(diào)諧解決方案。適當(dāng)?shù)?AI 訓(xùn)練模型檢測(cè)用戶手的位置，允許實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整移動(dòng)設(shè)備的 5G 天線，與之前的解決方案相比，精度提高了 30%。它是高通 5G AI 套件的一部分，還包括基于 AI 的信道狀態(tài)反饋和優(yōu)化、毫米波波束管理和網(wǎng)絡(luò)選擇。

其他供應(yīng)商正在基于 WBG 材料構(gòu)建其產(chǎn)品組合。例如，Qorvo Inc. 在其 5G 射頻解決方案組合中提供了多個(gè)基于 GaN 的組件。GaN 是一種 WBG 半導(dǎo)體，能夠提供比硅更高的效率和功率密度，并且能夠在更高的工作電壓下工作。

例如，QPF4001 是一款單片微波集成電路 (MMIC) 前端模塊 (FEM)，專為 28 GHz 相控陣 5G 基站和終端而設(shè)計(jì)。QPF4001(圖 3 )基于 Qorvo 的 0.15-μm 碳化硅 (SiC) 工藝，包括一個(gè)低噪聲、高線性度 LNA、一個(gè)低插入損耗的高隔離 T/R 開關(guān)，以及高增益、高效率的多級(jí) PA。該器件是要求減少空間和出色熱管理的相控陣應(yīng)用的理想解決方案。

為了擴(kuò)展其用于 5G 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的 mmWave RFFE 產(chǎn)品組合，村田公司旗下的 pSemi Corp. 最近推出了三個(gè)波束成形 IC 和兩個(gè)上下轉(zhuǎn)換器，可作為分立元件或作為村田 28 GHz 天線集成模塊的一部分提供(圖 4)。八通道波束形成器 RFIC 將 PA、LNA、移相器和開關(guān)集成到單個(gè)芯片中，可為多達(dá) 1,024 個(gè)元件的天線陣列提供最佳信號(hào)強(qiáng)度。雙通道、上下轉(zhuǎn)換器 RFIC 將倍頻器、正交混頻器、放大器和開關(guān)集成到單個(gè)芯片中，可與多達(dá) 16 個(gè) pSemi 波束成形 RFIC 或總共 128 個(gè)波束成形器通道配對(duì)，以支持大規(guī)模 MIMO、混合波束成形和其他有源天線配置。

Murata 和 pSemi 還共同設(shè)計(jì)了支持 28 GHz 頻段的 5G 毫米波天線集成模塊。在一個(gè) 4 × 4 天線陣列中，每個(gè)模塊都集成了高性能天線和帶通濾波器以及 pSemi 波束成形 IC 和一個(gè)上下轉(zhuǎn)換器?？梢越M合多個(gè)模塊，使設(shè)計(jì)人員能夠快速擴(kuò)展和構(gòu)建任何尺寸的天線陣列。

結(jié)論

隨著 5G 技術(shù)的引入，RFFE 模塊的設(shè)計(jì)復(fù)雜度顯著增加。新的解決方案必須更小、更高效、更容易大規(guī)模生產(chǎn)。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求，它們還需要低成本和高度集成，從而減少所需的組件數(shù)量。