5G 给射频前端带来的三大改变

改变一：有源器件工艺转向GaAs/GaN/SOI

5G频谱提升带来射频器件材料和工艺的两大改变。射频前端的有源器件由于要承 接5G高频率，材料和工艺都要发生变化。传统的射频工艺以以LDMOS、SiGe、GaAs 为主，未来GaN、SOI等工艺将逐步成为主流。

对于功放PA，目前针对3G和4G市场的PA主要有基于Si的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）和砷化镓（GaAs）PA两种，其中又以GaAs PA为主流。基于GaAs工艺的功放技术以其高耐压、高功率、纵向电流特性和良好的衬底特性而特别适合于射频功率放大器应用，在3G、4G等移动通信终端和高端智能手机领域，GaAs功放芯片有着不可撼动的地位。而在基站领域，GaN有望取代LDMOS，成为PA的主流技术。

对于天线开关/LNA，传统是以GaAs技术为主，随着通信世代更新，RF-SOI技术逐渐成为主流。与GaAs相比，RF-SOI具有相同的性能和功耗，成本超过30%减少和50%的模具面积。因此，RF-SOI逐渐取代GaAs。RF-SOI技术自2010年开始应用后，目前已经几乎100%应用于智能手机，而且有望从射频开关向PA、LNA等部件渗透。

工艺进化在Sub-6GHZ和毫米波频段有所不同。对于Sub-6GHZ，由于与现有4G频段接近，虽然结构更为复杂，但是射频工艺整体变化不大，基本工艺都可以作为可选项，更多的是渐进式创新。而对于毫米波，由于射频前端集成度更高，更容易实现集成的SOI技术应用更为广泛，同时技术可选项大为减少。

5G带来的工艺改变在基站侧与终端侧也不一致，GaN有望成为基站射频的主流技术。终端侧，GaAs技术由于成熟度高，性能足够且成本较低，5G时代也将占据主流地位；而基站侧，GaN技术有望成为PA的主流技术。相较于基于Si的横向扩散金属氧化 物半导体（Si LDMOS）和GaAs，在基站端GaN射频器件更能有效满足5G的高功率、 高通信频段和高效率等要求。当频率扩展到Sub-6GHZ，适用于3GHZ以下的LDMOS不 再满足5G规范，GaN PA（以及部分LNA等）更有可能成为基站建设的主力。根据Yole 估计，大多数低于6GHz的宏网络单元实施将使用GaN器件，到2023年，GaN RF器件市场规模达到13亿美元。

GaN在基站建设成本上亦有很大下降潜力。以基站的相控天线阵列为例，其成本包括射频元件、PCB和天线本身，使用GaN前端可以使天线阵列大小减小8倍，也能大 大减少相应的材料成本。仅分析射频元件，目前在4英寸SiC晶圆上制备的GaN材料是8 英寸SiGe的4.5倍，随着6英寸GaN产线的大批量投产，GaN成本有望下降至SiGe的3倍。两种工艺的成本比较如表。与全SiGe结构相比，6英寸GaN技术可以节省35%的整体原材料成本。在SiGe工艺下，虽然每台设备的与硅相关的成本较低，但是整体系统成本要高很多。

图21：采用GaN能大大降低基站相控天线阵列成本

改变二：滤波器由SAW转向BAW，由金属转向介质

滤波器通过对通信链路中的信号频率进行选择和控制，抑止不需要的频率信号， 解决不同频段、不同形式通信系统之间信号干扰问题，提高通信质量。其主要参数包括插入损耗、Q值、中心频率、通带带宽等。

5G背景下，基站端由金属腔体滤波器向陶瓷介质滤波器过渡。在3G/4G时代，金 属腔体滤波器凭借结构牢固、性能稳定的特征，Q值适中、高端寄生通带较远、散热性能好，且较低的成本，较成熟的工艺成为通信基站首选。但由于移动通信频谱资源有 限，随着移动通信网络的发展商用无线频段非常密集，导致了高抑制的系统兼容问题。基站进入Massive MIMO时代，RRU和天馈结合为AAU，对滤波器小型化、轻质化、集 成化、产量化、性能稳定方面提出更高要求。此时，陶瓷介质滤波器以更高Q值，更小损耗，同时尺寸也更小的优点，有望成为基站滤波器主流。

手机端，滤波器的选型将由SAW/TC-SAW 转为 BAW/FBAR。BAW（体声波） 和SAW（声表面波）分别代表不同阶段的技术方向。声表面波（SAW）技术六十年代末发展起来，其体积小、性能稳定、使用方便、选择性好、频带宽，一般工作1.9GHz 以下频段，应用上限为2.5GHz 左右，但存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低等缺点。5GSub-6GHz频段下，SAW无法适用。BAW滤波器中声波垂直传播，最大可以工作到20GHz，功率接近40dBm(10W)，具有对温度变化不敏感，插入损耗小，带外衰减大等优点，适用于高频率场景，但由于高Q值，成本较高。目前阶段BAW和SAW会分别在中高频和低频发挥最优性能优势。FBAR是一种基于BAW的谐振技术，利用压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振。FBAR滤波器综合了介质陶瓷的性能优越和SAW体积较小的优势，并且克服两者的缺点，是替代SAW滤波器的下一代滤波器。

改变三：前端模组化程度日益复杂

5G时代射频前端模组化程度将越来越高。随着通信制式升级，频段变多，高一级的通信系统要向下兼容，导致射频器件越来越多越来越复杂；同时要求增加电池容量， 压缩PCB板面积，决定了模组化是必然趋势：1、终端小型化。射频前端模组化降低了 对PCB面积的占用，这对于寸土寸金的手机终端内部尤为重要。2、大批量生产一致性。 如果用分立原件搭建复杂需求的射频电路，很难保证量产一致性，而模块化将电路内 化，可靠性更高。3、缩短研发周期。射频前端模组化提升了终端厂商的研发效率，缩 短了产品开发周期，使得后者能更快地推出新产品。Qorvo和Skyworks都推出了把多个 射频器件封装到一起的SiP封装产品，Qrovo的RFFushion，skyworks的Skyone产品、高通与TDK合资公司推出的RF360产品，国内锐迪科推出了集成功放、滤波器和开关的模块，提供高度集成化的解决能力。

射频前端模块通常存在三种主流架构：PAMiD架构、MMMBPA+ASM架构、MMPA + TxFEM架构，对应了不同形式的模组化。MMMB PA集成2G/3G/4G PA，通过外部滤 波器和双工器与天线开关模块ASM连接，即MMMB PA+ASM架构；MMPA+ TxFEM是 目前国内应用最广泛的射频前端架构，MMPA只集成3G/4G PA，2G PA与ASM集成，称为“TxFEM”。PAMiD集成度最高，集成了MMMB PA+ FEMiD。主流的旗舰机型因为 要支持全球大部分频段，大都采用PAMiD架构。

三个维度讨论5G对通信环境的改变

我们从三个维度讨论5G对通信环境的改变，分别是基站侧与终端侧、SA与NSA、 Sub-6GHZ与mmwave毫米波，以此来探讨5G对射频前端带来的影响。

1、基站侧与终端侧

基站与手机终端都需要射频前端，但是两者有所差异：1、市场规模方面，终端数量远高于基站数量，相应的射频前端市场规模也高于后者。2、性能要求方面，手机终端要求耗电量低、尺寸小、功率低，基站对应要求相对较低。对于移动智能终端，如3G、4G智能手机要求射频前端具有高效率，使智能终端的通话时间延长，而基站系统要求射频前端功放要有高输出功率，提高信号的传输距离。3、单机射频器件数量方面，基站必须支持多频段多通道同时发射接收，支持32、64通道，如华为基站设备64T64R，需要用到的滤波器与功率放大器更多。

图6：基站和手机射频系统比较

对于基站射频，4G基站采用“BBU+RRU”的组网解决方案，Base Band Unit(BBU)是基带处理单元，通常用于基带数字信号处理，通过传输设备直接与基站控制器相连；Radio Remote Unit(RRU)是射频拉远单元，包括收发信机的中频和射频模块，主要用于处理中频和射频信号，射频前端就位于RRU当中。5G基站则采用“CU+DU+AAU”的结构，射频前端位于AAU当中。

对于手机射频，一般集成在手机射频模块里，主要包括天线、射频前端和射频芯片，目前手机射频芯片多与基带芯片集成在主芯片内，天线则设计为单独的模块，射频前端因制作材料的不同难以与芯片集成，且射频前端器件种类较多，因此会分成多个不同功能的射频前端模块。

2、SA与NSA

随着Rel-15标准的冻结，摆在电信运营商的难题是究竟选择5G 独立（SA）网络，或者是折中部署由LTE网络完善而来的非独立（NSA）网络。SA架构提供完善的5G体验，而NSA预计资本支出相对较低，在5G大规模应用前，NSA可以作为风险较低的过渡方案。

5G NSA作为过渡方案，增加了射频前端的复杂程度。5G NSA需要4G LTE和5G双连接，采用主从结构，即以4G节点为主结构，5G接入节点为从结构，意味着存在频率互相干扰的问题。在所有移动运营商转换为SA之前，NSA将是全球许多运营商的选择，射频前端比SA架构更为复杂，至少在很长的一段时间内继续为终端射频设计带来挑战。

3、Sub-6GHZ与mmwave毫米波

Sub-6GHZ即低于6GHZ的5G新频段，是现有LTE频段的向上延续，一定程度上能够利用现有的基站设施从而简化5G部署。Sub-6GHZ又可分为低频段（1GHZ以下）和中频段（1~6GHZ），1 GHz 以下的超高频 (UHF) 频段非常适合高数据速率下的长距离传输，是实现 5G 大规模机器类型通信 (mMTC) 的理想选择；1到6GHZ的中频段则适用于需要至少 100 MHz 通道带宽的 5G 增强型移动宽带 (eMBB) 。

mmwave毫米波指24GHZ~100GHZ的5G新频段，用于短距离、高数据速率的传输和交换，对应的则是5G超高可靠低时延通信场景（URLLC）。

低高频段协同，Sub-6GHZ与mmwave毫米波合力促5G落地。一个关于5G发展的 共识就是，高低频段协同发展策略，以中低频（Sub-6GHZ）为基础，高频（mmwave毫米波）为补充，同步开展研究验证，合力促进5G落地应用。6GHZ以下频谱面向广域覆盖、高移动性服务等业务场景，作为5G的基础频段具有重要意义。而对于24GHZ以上高频段，可以满足网络高速高容量需求，作为5G的补充频段。

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