5G网络的RFFE 模块设计变得更加复杂

用于 5G 网络的 RFFE 模块需要高度集成，提供更高的效率，并支持更多的频段和天线。

与之前的 4G 技术相比，第五代 (5G) 移动网络引入了显着变化，包括使用多个 sub-1-GHz、1 至 6-GHz 和 6-GHz 以上(毫米波频率)频段. 除了增加带宽外，5G 技术还提供低延迟(小于 1 毫秒)、高数据速率(高于 10 Gbits/s)和高连接密度。为了支持 5G 技术所需的高性能，射频前端模块(也称为 RFFE 模块)发挥着至关重要的作用。

RFFE 模块管理天线和 RF 调制解调器之间的传输和接收信号路径。RFFE 的电路通常包括 Rx 中的低噪声放大器 (LNA)、Tx 中的功率放大器 (PA)，以及各种类型的滤波器、开关和双工器，具体取决于具体的用例。对于 LNA，关键因素是高灵敏度和选择性，而对于 PA，主要关键因素是非线性。

简化的 RFFE 结构为：收发器模块由两个混频器组成，一个用于上变频(在传输中)，一个用于下变频(在接收中)。在第一种情况下，中频 (IF) 与本地振荡器的频率相加，以获得用于传输的(更高)频率。在第二种情况下，混合器执行相反的操作;即从信号中减去本振频率，得到中频。这种技术的优点是中频信号的处理比原始信号的处理简单得多(在5G的情况下可以达到几十吉赫)，并且允许使用高速商业模拟数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)。

RFFE 模块的复杂性随着 5G 网络的引入而大幅增长，这主要是由于频段数量及其组合(需要使用特定组件和滤波器)的指数级增长，以及可用频段的减少。印刷电路板上的空间。5G 技术有超过 10,000 种可能的可用频率组合，需要使用不同的电子技术，从 CMOS(频率高达约 7 GHz)到砷化镓 (GaAs) 和氮化镓 (GaN)，频率更高。

RFFE 模块的新挑战

除了频段的指数增长外，5G 还带来了新的设计挑战，例如波束成形和 5G NR 大规模多输入多输出 (MIMO)，这需要采用完全不同的方法来设计 RFFE 解决方案。

波束成形是一种技术，可让您将毫米波 (mmWave) 无线信号聚焦在特定方向，而不是像普通无线电信号传播技术那样覆盖或多或少的大区域。5G 系统上可用的大量天线允许基站将水平和垂直波束聚焦到特定用户，从而提高容量和数据速率。

毫米波运行的 6 GHz 以上频谱提供了宽带宽，但也增加了信号传输和传播的复杂性。事实上，它需要 RFFE 设计来最大限度地减少由于树叶或雨水造成的传播损失，并降低氧气和水的吸收。

5G NR 大规模 MIMO 允许您增加基站上的天线数量，以实现空间分集(通过在不同传播路径上传输相同数据获得更高的可靠性)和空间复用(同时传输多个消息)等高级功能。

由于还必须通过移动用户和基站之间的相互移动来保证这些特性，因此需要专门为 5G 网络设计的射频解决方案，并且能够管理 sub-6-GHz 和毫米波频段，同时提供更小的尺寸和功率吸收。

5G 技术的另一个关键要求是延迟。超可靠低延迟通信 (uRLLC) 是 5G NR 的支柱之一，需要小于 1 毫秒的延迟(在 4G 系统中，延迟要求在 50 到 98 毫秒之间)。这使 5G 能够支持创新和关键用例，例如自动驾驶、机器人、工厂自动化和车辆之间的通信(V2V 和 V2X)。

更高数量的频率不可避免地导致滤波器数量的增加。与覆盖广泛频率的 PA 不同，必须为每个单独的频带设计滤波器。当前的趋势是将这些滤波器(主要采用声表面波 (SAW) 和体声波 (BAW) 等基于声学的滤波器技术制成)与 LNA 和 PA 一起集成到单个 RFFE 组件中(参见图 1) .

与支持 5G 的 RFFE 模块的演进相关的三个主要趋势。这些是从模拟到数字的转换、系统级封装 (SiP) 解决方案的采用以及宽带隙 (WBG) 材料的使用。

· 某些 RF 功能从模拟到数字的转换：传统上以模拟形式实现的某些信号处理(例如滤波和上下转换)现在可以完全由数字电路处理，通常是数字信号处理器。这允许项目的某些部分具有更大的灵活性、更低的成本和可重用性。

· 采用 SIP 解决方案：SIP 封装能够在同一芯片中集成越来越多的功能。这允许降低成本、尺寸和功耗。

· WBG 材料的使用：GaN 等 WBG 材料正被用于构建放大器和其他功率器件，与硅相比具有多种优势，包括更高的效率、更小的占位面积和更好的热管理。

RFFE模块集成度更高

领先制造商提供的射频组件具有基于工作频率、载波信道带宽和射频应用的特性。在 5G 的特定情况下，OEM 通常会提供基于不同技术的高度集成的解决方案。

例如，Qualcomm Technologies Inc. 推出了 RFFE 解决方案，以支持其最新的Snapdragon X70 调制解调器-RF 系统的性能和能效，该系统基于之前的 X65、X60、X55 和 X50 解决方案，支持所有商用 5G 频段。 600 MHz 至 41 GHz(图 2)。Qualcomm 的 RFFE 解决方案在调制解调器和天线之间集成了多个 RF 组件。

骁龙 X70 产品组合包括：

· QET7100 号称是首款多模、多输出、多功率放大器、宽带包络跟踪解决方案，支持全球 5G、sub-6-GHz 和 LTE 频段。该设备的能效比同类竞争解决方案高 30%，并支持新 5G 频段的 100-MHz 带宽。

· Qualcomm AI-Enhanced Signal Boost，号称是第一个通过人工智能算法增强的 5G 自适应天线调谐解决方案。适当的 AI 训练模型检测用户手的位置，允许实时动态调整移动设备的 5G 天线，与之前的解决方案相比，精度提高了 30%。它是高通 5G AI 套件的一部分，还包括基于 AI 的信道状态反馈和优化、毫米波波束管理和网络选择。

其他供应商正在基于 WBG 材料构建其产品组合。例如，Qorvo Inc. 在其 5G 射频解决方案组合中提供了多个基于 GaN 的组件。GaN 是一种 WBG 半导体，能够提供比硅更高的效率和功率密度，并且能够在更高的工作电压下工作。

例如，QPF4001 是一款单片微波集成电路 (MMIC) 前端模块 (FEM)，专为 28 GHz 相控阵 5G 基站和终端而设计。QPF4001(图 3 )基于 Qorvo 的 0.15-µm 碳化硅 (SiC) 工艺，包括一个低噪声、高线性度 LNA、一个低插入损耗的高隔离 T/R 开关，以及高增益、高效率的多级 PA。该器件是要求减少空间和出色热管理的相控阵应用的理想解决方案。

为了扩展其用于 5G 无线基础设施应用的 mmWave RFFE 产品组合，村田公司旗下的 pSemi Corp. 最近推出了三个波束成形 IC 和两个上下转换器，可作为分立元件或作为村田 28 GHz 天线集成模块的一部分提供(图 4)。八通道波束形成器 RFIC 将 PA、LNA、移相器和开关集成到单个芯片中，可为多达 1,024 个元件的天线阵列提供最佳信号强度。双通道、上下转换器 RFIC 将倍频器、正交混频器、放大器和开关集成到单个芯片中，可与多达 16 个 pSemi 波束成形 RFIC 或总共 128 个波束成形器通道配对，以支持大规模 MIMO、混合波束成形和其他有源天线配置。

Murata 和 pSemi 还共同设计了支持 28 GHz 频段的 5G 毫米波天线集成模块。在一个 4 × 4 天线阵列中，每个模块都集成了高性能天线和带通滤波器以及 pSemi 波束成形 IC 和一个上下转换器。可以组合多个模块，使设计人员能够快速扩展和构建任何尺寸的天线阵列。

结论

随着 5G 技术的引入，RFFE 模块的设计复杂度显着增加。新的解决方案必须更小、更高效、更容易大规模生产。为了满足物联网应用的要求，它们还需要低成本和高度集成，从而减少所需的组件数量。