5G将至，手机设计不可忽略的这些射频新挑战

针对5G规范所做的早期工作主要侧重于增强型移动宽带(eMBB)，即第一个5G用例。eMBB提供的数据速率预计会达到现今LTE速度的20倍。于2017年12月发布的3GPP 15版（见图1）的第一阶段包含了非独立(NSA)5G新无线电(NR)的草案规范。NSA利用LTE锚频段进行控制，并使用5G NR频段提供更快的数据速率（见图2），这是为了让运营商能够使用其现有的LTE网络来更快地提供5G速度。

图1 3GPP 5G标准时间线。

图2 NSA和SA实施选项（与LTE相比）。

2018年6月，3GPP接着推出了5G独立(SA)NR规范。SA无需LTE锚点，但需要建设一个全5G网络。如图1所示，该标准组还制定了未来18个月的时间线，包括“后期放弃”15版的额外特性，以及16版的工作计划，这些内容会开始将5G规范的范围扩展到移动宽带以外的各种新应用，包括自动驾驶汽车和物联网。

为了实现加快数据速度的承诺，以及支持更高的容量，5G将大幅增加用于手机通信的频谱范围和带宽。频谱分配到两个频率范围：低于6GHz，指定为FR1；毫米波，指定为FR2（见图3）。最初的移动部署将使用FR1，其中包括若干3GHz以上的新5G频段。目前正在开发在手机中支持毫米波频率的技术方法，但该技术不如支持低于6GHz频段的技术成熟。

图3 5G频谱将包括6GHz以下和毫米波频率的新频段。

在FR1中，单个载波的最大带宽为100MHz，是LTE的最大带宽20MHz的5倍。5G规范强制要求手机支持频段在1GHz以上的2个上行载波和4个下行载波，以分别实现200和400MHz的总带宽。15版规范包含600多个新载波聚合(CA)组合，包括许多4G和5G波段的NSA组合。管理这一前所未有的带宽和CA组合所面临的挑战波及了整个射频子系统。5G定义了两种替代波形，这进一步增加了复杂性：CP-OFDM和DFT-s-OFDM。CP-OFDM在资源模块中提供了很高的频谱封装效率，并为MIMO提供了良好的支持。DFT-s-OFDM是用于LTE上行链路的同一波形，其频谱封装效率更低，但范围更广。

5G将对手机射频前端(RFFE)产生巨大影响，该标准要求手机在基本同样大小的空间中解决额外的复杂射频问题（见图4）。需要采用创新方法来支持多个同步上行链路和下行链路连接的要求，且RFFE在支持这种海量带宽的同时，需要提供非常高的线性度并管理好功耗。

图4 5G智能手机射频前端的复杂性，还不包括任何毫米波频段。

新的CP-OFDM波形拥有更高的峰均功率比(PAR)，这进一步增加了难度。结合更高的信道带宽，5G需要比LTE更高的PA回退值，以避免超过规定限制，并维持高质量数据链路所需的线性度。最后，许多运营商都计划实施2级功率标准，以最大程度扩大5G手机的工作范围。2级功率让手机天线的输出功率翻倍，以克服更高频率的FR1频段遇到的传输损耗增大的问题。

增加带宽、新波形和更高输出功率这三种需求相结合，给PA设计带来了非常具有挑战性的线性度要求，且有可能会降低传输链效率。

解决这个问题的关键在于提高集成度，即使用通常集成了PA、开关和滤波器的集成模块。除了节省空间和提高性能外，集成模块还提供预测试射频构建模块，这有助于手机制造商满足行业严苛的手机开发周期。以前从3G过渡到4G时，手机主要采用分立式元件，而此次过渡与之前不同，几乎所有手机制造商都一致认同使用集成式RFFE来加快其首批5G设备的上市速度。

这些趋势将推动RFFE采用两类天线解决方案。一类是天线调谐，可以将每根天线都调谐到工作频段，使它更加高效。在某种程度上，LTE手机已经采用了天线调谐，主要用于提高性能。对于5G手机，鉴于其天线数量有限，且必须支持更广的频率范围，因此必须使用天线调谐来维持性能。另一种天线技术是天线转换开关，它在一些LTE手机中是一种高性能选项，而在5G手机中将成为必不可少的技术。天线转换开关利用单个模块覆盖多个频率，使得多条射频通道可以同时连接至天线，同时防止通道之间的干扰。天线转换开关目前被有些LTE手机用于路由CA信号，但它将会成为5G手机不可缺少的组件，用于支持15版和之后版本的规范所定义的海量双连接CA选项。

在大肆宣传5G的背后，现实中部署的速度远远快于最初的预期，让智能手机制造商添加5G功能的压力越来越大。新标准带来了前所未有的射频挑战，包括更高程度的复杂性、海量带宽、线性度和功率管理。

在3GPP制定5G标准的同时，Qorvo和其他RFFE供应商通过与无线基础设施制造商、网络运营商、芯片提供商和智能手机制造商合作，为这些工作提供支持。如同在之前的技术过渡过程中，解决复杂的5G挑战将需要创新型射频解决方案，让制造商能够为消费者推出新的产品。