5G設計促進RF前端模組化

作者 : Majeed Ahmad,EDN主編

射頻前端(RF Front-end;RFFE)設計正經歷徹底的變革,以滿足6GHz和毫米波(mmWave)頻譜的5G應用之巨大頻寬需求...

5G最早於2019年底開始實施,從那時起,射頻前端(RF front-end;RFFE)設計已取得長足進步,不僅整合度更高,並可支援從2G到5G的多模作業範圍。

例如,RFFE中的資料轉換器現在已經能夠支援毫米波(mmWave)頻段中的可用通道頻寬,這將促使RF架構變得通用,並透過將數位/類比鴻溝移到天線附近,以降低RF電路的複雜性。

RFFE也稱為RF前端模組,採用智慧分區架構,整合了高速放大器、接收類比數轉換器、發送路徑數位類比轉換器,以及採用不斷縮小的高頻濾波器設計。整合是5G RF設計最重要的目的,因為離散式RF解決方案已無法滿足其需求。

例如,高通(Qualcomm)的RFFE設計在數據機和天線之間整合了多個RF元件。這些數據機到天線解決方案集數據機、RF收發器、RF前端元件以及天線模組為一體,從而使行動OEM能夠快速地推出支援n53、n70以及n259 (41GHz)等新頻段的商用裝置。

最近的案例之一是高通公司第四代5G數據機到天線解決方案——驍龍(Snapdragon) X65 5G數據機-RF系統(1)。Snapdragon X65支援頻寬高達1GHz的mmWave頻譜聚合和300MHz的sub-6GHz頻譜聚合。

1X65是高通第四代5G數據機到天線解決方案,具有天線調諧和頻譜聚合功能。(圖片來源:Qualcomm)

ADI的ADRF554x RF前端則適用於大規模MIMO (M-MIMO)。這些RFFE大幅增加了可同時在多個頻段中工作的收發器通道數,並將所有必要的硬體擠進更小的封裝中。

ADRF554x系列RF前端整合了採用矽製程的大功率開關,以及採用砷化鎵(GaAs)製程的高性能低雜訊放大器,可覆蓋1.8GHz至5.3GHz蜂巢式頻段,同時針對M-MIMO天線介面進行了最佳化設計。

由於需要支援更多的天線和頻段,並且需要大量的元件來實現足夠大的覆蓋區域,可以預見將為RF領域帶來前所未見的設計複雜度。由於5G RF的複雜性不斷增加,這在早期曾經讓很多製造商望而卻步,因為不具備開發此類複雜RF子系統的專業技術。然而,隨著5G設計漸趨成熟,越來越多的供應商現在又重新面對RFFE設計的挑戰。

RF前端設計挑戰

隨著大量基地台部署在迷你、微型、微微和毫微微蜂巢式網路環境,以及新型終端裝置應用於物聯網(IoT)和工業物聯網(IIoT),RF設計代表5G網路展現的巨大商機。這將有助於使連網裝置大幅增加,以因應高度多樣化的用例和需求。

在RFFE設計中,為了適應大大增加的無線資料量,頻譜效率和重覆利用、更高的速度和更低的延遲都是需要考慮的主要因素。首先,頻譜效率至關重要,因為mmWave頻率(6GHz以上的頻譜)具有很大的可用頻寬而備受關注。但mmWave頻段在戶外的傳輸極具挑戰性,RFFE設計任務就在於減少路徑損耗、氧氣和H2O吸收、穿過樹葉的損耗以及因下雨而引起的訊號衰減。RF設計人員通常採用波束成形和波束追蹤技術來解決mmWave頻率的不良通道特性。

其次,速度在RFFE設計中也至關重要,因為相較於之前的2G、3G和4G系統,5G無線架構的資料速率更高許多。目前的5G系統速率是4G LTE系統的10倍。

第三,隨著在5G設計中的存取速度提升,延遲成為新的考量因素。相較於之前的3G和4G系統,延遲在5G RFFE中的重要性更加突顯。5G的最小延遲為1ms甚至更短;在4G系統中,延遲約在50ms至98ms之間;3G系統的延遲為212ms,而在2G系統中更高達629ms。現在,新的5G服務都採用超可靠的低延遲通訊功能來管理延遲問題。2所示為高通X55 5G數據機-RF系統,是高度整合的RFFE解決方案。

2:高通X55 5G數據機-RF系統等高度整合的RFFE解決方案支援任意頻段和模式的組合,讓工程師能夠專注於工業設計和使用者介面,從而在更短的時間內設計出性能更佳、價格更低的產品。(來源:Qualcomm)

5G設計中存在的RFFE問題暴露了RF技術本身具有突破性的本質,尤其是當RF採樣越來越靠近天線時,這種設計反而將有助於簡化和縮小RF封裝尺寸,並實現更高的整合度。因此,在此技術的十字路口,設計人員如何在因應設計複雜性的同時提高整合度?接下來將詳細介紹RF產業的最新動向。

OpenRF聯盟

最近成立的開放RF產業聯盟(Open RF Association;OpenRF)宗旨是在5G設計的多模RF前端之間實現硬體和軟體的功能互通性。這個開放組織將促進硬體和軟體介面的標準化,同時賦予RF解決方案供應商實現創新設計。該聯盟的創始成員包括博通(Broadcom)、英特爾(Intel)、聯發科(MediaTek)、村田(Murata)、Qorvo和三星(Samsung)。

Mobile Experts首席分析師Joe Madden認為,行動產業越來越需要結構性改革,以因應RF前端設計不斷增加的複雜度。他說,「OpenRF將對非競爭領域的建構模組進行標準化,從而使RFFE供應商能夠集中力量實現創新。」

值得一提的是,定義RF前端控制介面的MIPI RFFE規範將繼續交由MIPI聯盟(MIPI Alliance)的RFFE工作組(RFFE Working Group)進行制訂。此外,OpenRF將與MIPI聯盟簽訂合作架構協議。

本文針對5G手機和基礎設施應用探討在RF前端設計中所面臨的挑戰、相應的解決方案和產業計畫,並總結出高度整合的需求促進了RFFE的模組化。而且,RF前端是針對進出天線的訊號進行路由、濾波和放大必不可少的元件,高度整合的設計將直接降低裝置功耗,這對全天候依靠電池供電的5G裝置設計而言至關重要。

(參考原文:5G designs push RF front-end modularization closer to reality,by Majeed Ahmad)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年11月號雜誌

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