5G 设计推动射频前端模块化更接近现实

早期的 5G 实施始于 2019 年底，从那时起，射频前端 (RFFE) 设计在更高的集成度和对从 5G 到 2G 无线电的多模操作的支持方面取得了长足的进步。

例如，这些 RFFE 中的数据转换器现在支持毫米波 (mmWave) 频段中可用的通道带宽。反过来，这将为 RF 架构的通用化打开大门，并可能通过将数模分界线移近天线来降低 RF 电路的复杂性。

RFFE 也称为前端模块。这些部件使用智能分区架构来集成高速放大器、接收模数转换器和传输路径数模转换器以及不断缩小的高频滤波器设计。集成是 5G 无线电设计中的游戏名称，因为分立的 RF 解决方案已不再足够。

以 Qualcomm 的 RFFE 设计为例，该设计在调制解调器和天线之间集成了多个 RF 组件。这些调制解调器到天线的解决方案将调制解调器、RF 收发器、RF 前端组件和天线模块结合在一起，从而使移动 OEM 能够快速将设备商业化，并支持新的频段，例如 41- GHz频段。

最新的例子之一是高通的第四代 5G 调制解调器到天线解决方案 Snapdragon X65 5G 调制解调器-RF 系统。骁龙 X65 支持高达 1 GHz 的毫米波频谱和 300 MHz 的 sub-6-GHz 频谱的频谱聚合。

然后是来自 Analog Devices Inc. 的用于大规模 MIMO (M-MIMO) 无线电的 ADRF554x RF 前端。这些 RFFE 极大地增加了在多个频段中同时运行的收发器通道的数量，同时将所有必要的硬件压缩到更小的外形尺寸中。

ADRF554x 系列射频前端集成了一个采用硅工艺的大功率开关和一个采用 GaAs 工艺的高性能低噪声放大器。这些射频前端覆盖 1.8 GHz 至 5.3 GHz 的蜂窝频段，针对 M-MIMO 天线接口进行了优化设计。

因此，随着需要支持的天线和频段数量增加，以及实现足够覆盖所需的大量组件，我们看到射频领域前所未有的复杂性。因此，在早期，5G 无线电的日益复杂性限制了拥有开发此类复杂射频子系统专业知识的制造商的数量。然而，随着 5G 设计的成熟，越来越多的供应商正在加紧应对 RFFE 挑战。

射频前端设计挑战

在微型、微型、微微和毫微微蜂窝环境中部署大量基站以及物联网和工业新终端设备的情况下，射频设计代表了 5G 网络的巨大机遇物联网应用。对于高度多样化的用例和需求，这可能会增加连接设备的巨大增长。

频谱效率和重用、更高的速度和更低的延迟是 RFFE 设计的主要考虑因素，以满足无线数据流量容量的巨大提升。首先，频谱效率至关重要，因为毫米波频率（高于 6 GHz 的频谱）因广泛的带宽可用性而备受关注。

然而，毫米波波段的传输在室外区域最具挑战性，RFFE 设计的任务是改善高路径损耗、高氧气和 H 2 O 吸收、通过树叶的损耗以及因雨水而导致的衰落。因此，射频设计人员正在采用波束成形和波束跟踪技术来克服毫米波频率中不利的信道特性。

其次，速度在 RFFE 设计中至关重要，因为 5G 无线电架构运行的数据速率远高于之前的 2G、3G 和 4G 系统。目前的 5G 系统比 4G LTE 无线电快 10 倍。

第三，延迟是新元素，以及 5G 设计中的更快访问。这在 5G RFFE 中比在之前的 3G 和 4G 版本中重要得多。5G 的最小延迟为 1 毫秒或更短。另一方面，在 4G 系统中，延迟为 50 毫秒至 98 毫秒，在 3G 系统中为 212 毫秒，而在 2G 系统中则高达 629 毫秒。新的 5G 服务现在采用超可靠的低延迟通信功能来管理与延迟相关的问题。

高度集成的 RFFE 解决方案，例如 Qualcomm X55 5G 调制解调器-RF 系统，支持任意频段和模式的组合，使工程师能够专注于工业设计和用户界面，从而在更短的时间内以更低的成本提供更好的产品。（来源：高通）

5G 设计中 RFFE 问题的概要显示了 RF 技术的破坏性。尤其是当射频采样越来越靠近天线时，这反过来又会简化和缩小无线电外形尺寸并实现更高水平的集成。那么，在这个技术的十字路口，行业正在做些什么来促进更高水平的集成，同时控制设计的复杂性？以下部分将详细介绍 RF 行业计划。

OpenRF 联盟

最近成立的开放射频协会 (OpenRF) 旨在在 5G 设计中跨多模射频前端创建硬件和软件的功能互操作性。这个开放框架将标准化硬件和软件接口，同时仍然允许射频解决方案供应商之间的设计创新。该联盟的创始成员包括博通、英特尔、联发科、村田、Qorvo 和三星。

据 Mobile Experts 首席分析师 Joe Madden 称，移动行业越来越需要结构来处理复杂性，而这现在是射频前端设计的一个标志。“OpenRF 将标准化非竞争领域的构建模块，从而使 RFFE 供应商能够将精力集中在创新的尖端，”他说。

值得注意的是，定义射频前端控制接口的 MIPI RFFE 规范将在 MIPI 联盟的 RFFE 工作组内继续开发。此外，OpenRF 目前正在与 MIPI 联盟达成联络协议。

上述针对 5G 手机和基础设施应用的 RF 前端设计挑战、解决方案和行业举措的概述证明了超集成驱动使 RFFE 模块化更加接近现实。此外，虽然 RF 前端封装了对进出天线的信号进行路由、过滤和放大必不可少的组件，但这些高度集成的设计将直接影响设备的功耗。这对于提供全天电池寿命的 5G 设备设计至关重要。

审核编辑 黄昊宇