中國5G行業(yè)發(fā)展，推動射頻前端發(fā)展分析[圖]

    射頻前端即RadioFrequencyFront-End，簡稱RFFE，是天線和射頻收發(fā)機之間的射頻電路部分。通俗的理解方式就是靠近天線部分的設(shè)備就是射頻前端。以手機接收信號為例，空氣中的無線電磁波信號經(jīng)過天線轉(zhuǎn)換為有線信號，之后送入射頻前端部分。在射頻前端部分中，電磁波從天線出來先進入天線調(diào)諧器（antennatuner），它是連接天線和后續(xù)電路的一個匹配網(wǎng)絡(luò)。接著信號經(jīng)過分集開關(guān)（diversityswitch），為移動和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用提供低插入損耗、高隔離和出色的線性度。之后是個雙工器（diplexer），雙工器用于天線輸入輸出部，擁有在收發(fā)時分類或混合2種不同頻率信號的功能，并且還用于CA(carrieraggregation)電路中。再然后信號經(jīng)過射頻開關(guān)送到濾波器電路，射頻開關(guān)負(fù)責(zé)接收、發(fā)射通道之間的切換；濾波器負(fù)責(zé)發(fā)射及接收信號的濾波；最后經(jīng)過低噪放，低噪聲放大器主要用于接收通道中的小信號放大，同時抑制噪聲在可接受的范圍內(nèi)，供后續(xù)的收發(fā)機處理。接收機/發(fā)射機用于射頻信號的變頻、信道選擇。信號的發(fā)射路徑中各部分的作用與接收路徑幾乎相同，但是發(fā)射路徑不再使用低噪放而是功率放大器（PowerAmplifier，PA），用來放大信號作為發(fā)射使用。

射頻前端結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    5G時代通訊標(biāo)準(zhǔn)進一步升級，帶來手機射頻前端單機價值量持續(xù)快速增長。智能手機射頻前端的市場規(guī)模在2016年達(dá)到101億美元，預(yù)計2022年市場規(guī)模將超過227億美元，復(fù)合增長率達(dá)到14%。手機射頻前端價值量在5G時代有望成長至22美金以上。濾波器是射頻前端市場中最大的業(yè)務(wù)板塊，5G時代手機頻段支持?jǐn)?shù)量將大量增長，帶動單機濾波器價值量快速增長，其市場規(guī)模將從2016年的52.08億美元增長至2022年的163.11億美元，年均復(fù)合增速達(dá)到21%。

2016-2022年中國射頻前端各細(xì)分零部件市場規(guī)模及預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

    高頻信號相較于低頻信號來說其頻段更為寬廣，5G時代通信傳輸?shù)念l率更高，因而對高頻PCB板與高速PCB板的需求更高，從而覆銅板高頻基材與高速基材需求量增加。5G基站中DU與AAU中的天線反射板、背板、TPX&PA電路均采用高頻基材，且對高頻基材的性能要求更高，需要高頻基材在保持介電損耗最小化的狀態(tài)下維持介電常數(shù)穩(wěn)定，因而5G時代高頻覆銅板的需求與附加值都將得以擴張。

    一、4x4MIMO

    4G對于MIMO的要求是選擇性的，5G對于1GHz以上下行鏈路4x4MIMO則是必須要求，新增加了n77波段并對LTE頻段重耕，例如原有的4GBand3重耕為5GNRn3。4GLTE的接收分集是兩個接收路徑，到了5G則需要4G接收路徑。對于已經(jīng)支持4GLTEMIMO的手機來說，這個要求不會造成很大變化，而對于目前不支持4GLTEMIMO的手機來說則增加了RF的復(fù)雜性和天線的帶寬，也就是說需要4個單獨的RFFE路徑和4個天線。如果考慮到2x2MIMO上行鏈路對應(yīng)的n77，n78，n79和n41波段，這個問題會更加復(fù)雜。

    這種架構(gòu)的變化帶來的首先是天線調(diào)諧器重要性的加強。如今的智能手機越來越依賴于天線調(diào)諧技術(shù)來提高發(fā)射效率，在5G過渡的過程中，天線調(diào)諧技術(shù)會更加重要，天線的數(shù)量在有所保證的前提下，每一個天線都要保證寬頻下的高效率。雙工信號在如今手機中應(yīng)用很廣泛，但是5G會引入新的信號路徑分配的復(fù)雜性。在高頻波段信號配合雙連接上行鏈路的要求下，信號到天線的路徑分配會產(chǎn)生重大變化。直接雙工器將會被高性能天線復(fù)用器取代，這些天線復(fù)用器可以使得連接數(shù)最大化，同時也可以滿足嚴(yán)格的載波聚合抑制要求，同時保持低插入損耗。RF的復(fù)雜性要求在提高，但是空間上的分配卻不會增加，因此射頻前端會采用模組化來節(jié)省面積，射頻前端模塊將會同時集成PA、開關(guān)、濾波器、LNA等等。

    二、寬帶和新波形

    在如今LTE高端型手機中，多采用的是包絡(luò)追蹤技術(shù)來配合PA降低功耗。包絡(luò)追蹤技術(shù)可以通過追蹤射頻信號能量，來不停地調(diào)整PA的電源電壓，從而優(yōu)化PA效率。但是包絡(luò)追蹤目前的技術(shù)只能支持到60MHz帶寬，在5Gn77和n79波段進行載波聚合后可以達(dá)到100MHz帶寬，包絡(luò)追蹤技術(shù)此時無法滿足帶寬要求。因此PA需要工作在平均功率跟蹤（APT）固定電壓模式下，來支持寬帶的5G傳輸，同時PA的效率會下降。

    PA的線性度的要求也大大增加，這是由于5G增加的新波形，CP-OFDM與大量信道組合具有更高峰值平均功率比（PAR），所以在5GPA中實現(xiàn)更大的回退（backoff）。工作在回退模式意味著必須降低PA的最大輸出功率，以便使整個信號在PA傳遞曲線的線性區(qū)域范圍內(nèi)。這樣做會給PA的線性度和效率的折中帶來更大的困難。

    5GRFFE還可能需要支持LTE中與5GFR1重合的頻率，對LTE向下兼容?？紤]到電池壽命，手機制造商希望盡可能使用ET來保證PA效率，這意味著使用ET進行LTE傳輸和采用60MHz帶寬的5G信號。因此，PA在ET模式下工作時必須提供高飽和效率，在APT模式下則必須具有高線性效率。在寬帶APT模式和相對窄帶的ET模式下PA的的工作模式，給RFFE供應(yīng)商帶來很大挑戰(zhàn)。此外，在ET和APT模式之間切換需要復(fù)雜的電源管理。

    先行的5G模組可能只在特定的頻段工作，只滿足最終版的5G部分要求。但是5G基站中，對應(yīng)eMBB和工業(yè)及汽車應(yīng)用，必須是在各個標(biāo)準(zhǔn)中相互兼容的，也就是說5GRF硬件必須能夠服務(wù)5GFR1和5G毫米波FR2頻段。

    5G通信技術(shù)的變革會給手機終端射頻前端設(shè)計帶來很多挑戰(zhàn)，如天線數(shù)量增加對空間的擠壓、非獨立組網(wǎng)雙連接帶來的復(fù)雜度提升、上行鏈路4x4MIMO對射頻器件用量的需求、寬帶和新波形采用迫使的功率放大器技術(shù)更新、LTE頻段重耕帶來的設(shè)計復(fù)雜性等。5G帶來挑戰(zhàn)的同時也給射頻前端市場帶來新的機遇，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測，射頻前端模塊市場會在5G的影響下于2023年達(dá)到352億美元的市場規(guī)模。

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國射頻前端模塊行業(yè)市場研究及投資前景預(yù)測報告》