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(yè)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(xiàn)技術》、《科普丨發(fā)現(xiàn) 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(xiàn)，還需要更多創(chuàng)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(fā)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(fā)系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)、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(tǒng)封包。
不管怎樣，5G愿景的實現(xiàn)都需要射頻技術和封裝技術的顛覆性創(chuàng)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(xiàn)。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(yōu)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(tǒng)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(xiàn)高有效等向輻射基站功率（EIRP），如圖 4-5 所示。美國聯(lián)邦通信委員會定義了非常高的 EIRP 限值，規(guī)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(zhàn)？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(tǒng)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(tǒng)的設計。
氮化鎵技術的部分重要屬性：
可靠性與結實性：氮化鎵的功率效率更高，因此降低了熱量輸出。氮化鎵的帶隙寬，能夠耐受更高的工作溫度，因此可以減少緊湊區(qū)域的冷卻需求。由于氮化鎵能夠在塔上應用（例如：天線陣列系統(tǒng)）的高溫條件下工作，因此可以不需要冷卻風扇，以及/或者可以減少散熱器的體積。歷史上，冷卻風扇由于其機械性質，一直是造成外場故障的首要原因。大型散熱器不僅硬件本身構成重大成本，并且由于重量原因，還可能帶來額外的人力成本。使用氮化鎵可以讓人們不再使用這些高成本的散熱辦法。
圖 4-6：氮化鎵減少了基站設計的復雜性，降低了成本。
低電流消耗：氮化鎵降低了工作成本，產生的熱量也更少。另外，低電流還有助于減少系統(tǒng)功耗和降低電源需求。再者，由于功耗降低，服務提供商也減少了運營支出。
低電流消耗：氮化鎵降低了工作成本，產生的熱量也更少。另外，低電流還有助于減少系統(tǒng)功耗和降低電源需求。再者，由于功耗降低，服務提供商也減少了運營支出。
功率能力：相比于其他半導體技術，氮化鎵設備提供更高的輸出功率。市場的發(fā)展趨勢以及對于基站高功率輸出的需求，更加有利于氮化鎵技術的發(fā)展。
頻率帶寬：氮化鎵擁有高阻抗和低柵極電容，能夠實現(xiàn)更大的工作帶寬和更高的數據傳輸速度。另外，氮化鎵技術還在 3 GHz 以上擁有良好的射頻性能，其他技術（例如：硅）在這個頻率范圍的性能卻不佳。今天氮化鎵模塊和功率放大器提供的寬帶性能，能夠支持 5G 前所未有的帶寬需求。
集成：5G 需要體積更小的解決方案，這促使供應商將大規(guī)模、包含多個技術的離散式射頻前端，替換成單體式全面集成解決方案。氮化鎵制造商開始抓住這個潮流，開發(fā)那些能夠將收發(fā)鏈條整合到單一封裝的全面集成解決方案。這進一步減少了系統(tǒng)的體積、重量和上市時間。
體聲波濾波器技術
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(yōu)異、經濟適用等優(yōu)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(zhàn)。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(tǒng)中，從發(fā)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(yōu)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(yōu)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(tǒng)功率損耗或信號范圍問題而增加放大器的功率，則發(fā)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(qū)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(chuàng)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(qū)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。
