在7月中旬于蘇州舉辦的射頻設(shè)計與測試論壇上，Qorvo 公司高級銷售經(jīng)理趙玉龍發(fā)表了一個題為《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。

趙玉龍進一步指出，5G 的主要頻率分為兩個階段，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。在進入這個階段后，對射頻前端也提出了更高的需求。作為一個射頻供應(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?、更有效率。這也是 Qorvo 未來的重點發(fā)展方向。

在具體談毫米波之前，趙玉龍先生用一個蛋糕和金字塔模型，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、高鐵站和飛機場等場景，對數(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)用場景以外，我們也需要關(guān)注一下頻率，因為這是一種非常寶貴的資源。在低層，也就是需要實現(xiàn)廣范圍覆蓋的地方，我們可以用 1Ghz 以下的頻率來實現(xiàn)；在中間那個位置，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，也能給相關(guān)的廠商帶來不同的挑戰(zhàn)，當中最直接就體現(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 中的高頻段對射頻的不同需求做了詳細說明。

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），整個信號對 PAR 要求更高，那就意味著因為信號攜帶大量數(shù)據(jù)，更高階的調(diào)制帶來信號幅度和相位的劇烈抖動。

同時，單載波在這個頻段也可以達到 100Mhz 的頻率帶寬。作為對比，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，這足以說明這個頻段帶來的明顯提升。當然，因為有 100M 的信號會通過我們的 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立組網(wǎng)和非獨立組網(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要求推動下，射頻前端在 FR1 時代已經(jīng)做出了一個不小的改變，從上圖右邊藍色部分可以看到產(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 工藝會是毫米波時代一個非常有前景的技術(shù)。

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

據(jù)介紹，在手機上下行的鏈路中，最困擾運營商和 OEM 的一個問題是手機的上行功率不太夠。也就是說手機往基站發(fā)信號的功率比較小，而從基站到手機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 ID 設(shè)計和前端插損等因素也會給 FR2 下的手機設(shè)計帶來挑戰(zhàn)”，趙玉龍在會上強調(diào)。按照他所說，要解決這些問題，就需要尋找一個優(yōu)化的半導體制程來實現(xiàn)。而 OTM（Optimum Technology Matching）就是 Qorvo 看中的一個方向。

趙玉龍在會上指出，通過引入 OTM，能夠為開發(fā)者帶來很好的效果，當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、效率會更高等。通過下圖的一個對比范例，我們可以看到其中的價值。

如上圖左所示，在 2020 年推出的一款手機，開發(fā)者在其上用了三個 AiP 的模組。然而在 2021 年推出的一款手機里，則只有兩個 AiP 模組。在這個演變期間，運營商不但要求手機的上行發(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 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爭力的成本。

“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”，趙玉龍強調(diào)。他進一步指出，如下圖所示，基于單芯片硅的毫米波設(shè)計可以分成幾個部分。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。

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

如下圖藍框內(nèi)所示，他不但包括了一個擴展的射頻前端模組 eFEM（external Front End Mdule）。還包括了 Beamforming RFIC （內(nèi)含混頻器、鎖相環(huán)等器件），當然，電源管理芯片也是這個設(shè)計不可或缺的一個重要組成部分。

“這是一個 Qorvo 在推動，并認為非常有前景的設(shè)計”，趙玉龍強調(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。除了用 GaAs pHEMT 工藝來做 PA 以外，這個設(shè)計還用了 SOI 來做 LNA 和 Switch。據(jù)趙玉龍所說，Qorvo 在這個設(shè)計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，但趙玉龍表示，基于這個新技術(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這個設(shè)計成為主流。因為這個設(shè)計與純硅的設(shè)計相比，有很大的不同，為此有很多開發(fā)者對如何將這個新方案與原有的 CMOS 方案適配倍感疑惑。但如上圖所示，這與傳統(tǒng)的設(shè)計一樣，都是通過數(shù)據(jù)接口等不同的連接方式實現(xiàn)的。

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

我們再深入看一下 Qorvo 正在研發(fā)的這個模組。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，這就給整個設(shè)計帶來了靈活性。

“因為在這個設(shè)計中，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 還為整個設(shè)計了一個叫做“銅柱”的產(chǎn)品，來對這些器件進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)計相比，Qorvo 的這個的新設(shè)計，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，達成了更好的效果。

趙玉龍舉例說到，在實現(xiàn)一個 1×4 的雙極化八通道毫米波模組的時候，如果選用純 CMOS 的單芯片方案來做的時候，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，達到同樣的效果，則僅需要 1.02W 的功耗，新設(shè)計帶來的效率提升是顯而易見的。

如果我們把整個向上的發(fā)射功率增加到 14dbm，在這種情況下， eFEM 設(shè)計的功耗是一樣，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，同時還把天線陣列從 1x4 變成 1x2，這樣的話整個 AiP 設(shè)計更小，成本更低。但這時候我們可以看到，整個 AIP 的發(fā)射功率不變化，但他的直流功耗變小了，天線設(shè)計變簡單了，對智能天線的 beamforming 快速捕捉會更快。這都是 OTM 設(shè)計帶來的好處。

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

編輯：jq