引言

“預計 5G 手機將成為今后十年智能手機行業增長最快的領域?！?/p>

5G 標準的加速發展使移動運營商能夠推進其 5G 部署計劃，其中一些早期部署將于明年完成。根據Strategy Analytics 預測，一旦開始部署，5G 手機就可能成為今后十年智能手機行業增長最快速的領域， 出貨量將從 2019 年的 200 萬臺增至 2025 年的 15 億臺。最近的一項調查顯示，差不多 50% 的消費者可能選擇 5G 智能手機作為其下一部移動設備，部分原因在于數據速率預計將會得到提高。

然而，5G 發展狂潮給手機設計帶來了巨大的 RF 挑戰。由于標準制定的時間線比較緊迫，基本 RF 規格的關鍵細節仍存在不確定性，如功率回退水平、區域頻段組合、上行 MIMO 和補充上行鏈路 (SUL)。

由于運營商堅持主張適時在手機中納入 5G 內容，以完成其網絡部署計劃，所以即使在規范仍在繼續發展的當下， 智能手機制造商也面臨著制定實施戰略的壓力，以滿足具有挑戰性的 5G RF 要求。這些要求包括寬度前所未有的帶寬、高峰均功率比、非常高的功率放大器 (PA) 線性度以及廣泛的載波聚合驅動型頻率擁塞。

了解真實情況

5G 最終將支持眾多應用。然而，移動運營商的初期實施以增強型移動寬帶 (eMBB) 為重點，預計將實現數據速率比當今 4G 數據速率提高多達 20 倍。

實現真正的 5G 技術需要在智能手機和 5G 新無線電 (NR) 基礎設施中采用新硬件，而不僅僅是提高 4G 數據速率并將其重塑為 5G，就如同之前 3G 到 4G 的技術過渡。

初始的 5G NR 規范集已于 2017 年 12 月交付使用，5G 階段 1（3GPP 版本 15）對其進行了定義。這些規范側重于利用非獨立 (NSA) 5G NR 技術實現移動寬帶部署，即可用于大多數早期 5G 網絡部署（圖 1）的技術。通過利用 LTE 錨頻段進行控制以及 5G NR 頻段提高數據速率，NSA 可用來加快 5G 部署。利用該方法，運營商只需擴展其現有的 LTE 網絡即可快速實現 5G 速度，且無需構建全新的 5G 核心網絡。5G 獨立 (SA) 規范消除了 LTE 錨的必要性，并將需要擴建一個全 5G 網絡，目前定于 1 年后（2018 年 12 月）交付使用。

圖 1. 從 LTE 到 5G 部署的逐步過渡。

版本 15 NSA 規范整合了開始設計 5G 智能手機所需的眾多 5G 規范，包括新頻段、載波聚合 (CA) 組合以及關鍵的 RF 特性（如波形、調制和子載波間隔）。

正如預期那樣，規范定義了兩個廣泛的頻譜范圍，即 sub-6 GHz (FR1) 和毫米波 (FR2) 頻率。它們包括第一組新5G FR1 頻段（n77、n78 和 n79），將用于許多全球 5G 部署（圖 2）。從長遠角度看，許多 LTE 頻段已被指定用于重新分配為 5G 頻段，但只有一小部分有望在近期使用，包括 n41、n71、n28 和 n66。版本 15 規范還包括 600 多個新的 CA 組合。

圖 2. 5G FR1 頻段（n77、n78 和 n79）的新區域分配。

5G 規范定義了兩個可選波形：CP-OFDM 和 DFT-s-OFDM。CP-OFDM 在資源模塊中提供了很高的頻譜封裝效率（高達 98%），并為 MIMO 提供了良好的支持。因此，當運營商優先考慮盡可能提高網絡容量時（例如在密集城市環境中），可能會使用該波形。DFT-s-OFDM 是用于 LTE 上行鏈路的同一波形，其頻譜封裝效率更低，但范圍更廣（表 1）。

表 1. 關鍵的 5G 規范。

規范還確認，盡管數據速率得到提高，但 5G 移動寬帶的時間排程就如同 LTE，且對核心 RF 實施不會產生任何額外影響。然而，5G 技術大大降低了延遲，因此天線交換和天線調諧的可用時間更少。這可能導致需要使用在某些應用中速度比 4G 快 10 倍的開關技術。

4G 到 5G 過渡過程中的另一個重大變化就是手機必須支持寬度前所未有的帶寬。提高帶寬是 5G 的基本宗旨：是實現以全新 5G 頻段為目標的更高數據速率的關鍵。單載波帶寬可高達 100 MHz，即 LTE 最高帶寬 20 MHz 的 5 倍（圖  3），且在  FR1 頻率范圍內，可存在  2 個上行鏈路和  4 個下行鏈路載波，以分別實現  200 MHz 和  400 MHz 的總帶寬。管理該帶寬所面臨的挑戰預計將影響整個 RF 子系統，這樣即使是最具創新精神的 RF 公司也要提高標準。

圖 3. 最大信道帶寬比較：4G LTE 與 5G NR。

手機設計面臨的挑戰

智能手機制造商面臨的挑戰就是，如何對已經擁有大量 4G LTE 功能的手機快速增加 5G 支持功能，以及如何在不延遲產品發布周期或在不影響達成全球發貨量目標的情況下實現這一功能增加。

5G NSA 雙連接性

盡管 5G NSA 是加快 5G 部署的關鍵，但也大大增加了 RF 復雜性，因為它要求同時實現 4G LTE 和 5G 連接性。

在許多情況下，運營商預計將整合 4G FDD-LTE 頻段和 5G 頻段。NSA 規范允許手機在一個或多個 LTE 頻段中傳輸數據，同時在一個 5G 頻段中接收數據。這就大大增加了傳輸頻率諧波劣化接收器靈敏度的可能性。

例如，將 LTE 頻段 1、3、7 和 20 與 5G 頻段 n78 整合在一起。頻段 n78 比任何 LTE 頻段占用的頻率范圍都更高， 且極其寬 (3.3-3.8 GHz)。因此，存在一個更大的威脅，即在其中一個 LTE 錨頻段上傳輸數據生成的諧波頻率將落入 n78 頻率范圍，而如果頻率衰減不足，則可能導致接收器靈敏度劣化。然而，實現必要的 CA 衰減所需的濾波功能可能會導致 RFFE 插入損耗增加，從而提高 PA 輸出功率要求，降低系統整體效率。

此外，雙連接性還會帶來其他挑戰。例如，在手機中容納兩個主手機天線將是可取的方案。在 LTE 和 5G 頻段中同時進行數據傳輸還會產生電源管理問題，且需要使用一個占用更多空間的附加 DC 轉換器，從而沒有任何空間進一步擴展天線容量。

圖 4 表明了這一趨勢，即如果關鍵 RF 功能組增加，典型旗艦智能手機中可用的天線容量和天線數量就會減少。如圖所示，即使采用當今一些 18:9 屏幕高寬比智能手機的較大外形尺寸，可用天線容量也會縮減，直至限制添加更多天線的能力。

圖 4. 隨著手機 RF 內容的增加，添加天線的能力將受限。

4x4 MIMO

“強制性的 4X4 MIMO 影響較多?！?/p>

5G MIMO 要求使這個問題更加嚴重。與 4G LTE 不同的是，在 MIMO 為可選的情況下，5G 手機必須在 1 GHz 以上頻段的下行鏈路中支持  4x4 MIMO。這不僅適用于新頻段（如  n77），還適用于重新分配的  LTE 頻段。例如，如果頻段 3 被重新分給 5G NR，從而變成 n3，那么手機現在就必須遵守 5G NR 規范。因此，LTE 接收分集要求（即兩個接收路徑）立即成為 4 個接收路徑的要求。

對于一些已經支持可選 4x4 LTE MIMO 的手機設計，這種改變并不明顯。然而，對于其他許多手機，這種改變將需要大幅增加 RF 內容、信號路由復雜性和天線帶寬。總的來說，這意味著在已分配給 RF 前端的擁擠空間內擠入更多內容，因為需要 4 根天線和 4 個獨立的 RF 通道。所有這些甚至都沒有考慮 2x2 上行鏈路 MIMO 的影響，如針對 n77、n78、n79 和 n41 的規定。

這種架構性轉變會產生許多影響。其中一個最明顯且最至關重要的影響就是，天線調諧和天線轉換開關將變得更加重要。當今的智能手機已經需要依賴天線調諧來提高輻射效率，但是天線調諧將在向 5G 的過渡過程中發揮更大的作用，同時通過使每根天線能夠高效地支持更寬的頻率范圍，幫助智能手機制造商將天線數量保持在可承受范圍內。

根據相關的注解，如今，雙工信號已經很常見（例如，低頻段和中頻段 / 高頻段信號），但是  5G 使信號路由復雜性提升到一個全新水平。鑒于天線的最大數量開始趨向穩定（如圖  4 所示），超高頻段頻率和雙連接性上行鏈路要求將需要對信號路由至天線的方式做出實質性改變。高性能天線轉換開關能夠最大化信號連接的數量，同時符合嚴格的 CA 抑制要求，并維持低插入損耗，因此將迅速取代簡單的雙信器。

所有這個新 RF 內容的另一個影響就是，雖然功能性不斷增加，但可用于 RF 實施的面積卻不然。因此，該趨勢可能會加速集成式 RF 前端模塊的部署。整合了 PA、開關、濾波器和 LNA 的高度集成模塊（如 Qorvo 的RF Fusion?）需要更少的空間，同時還可減少損耗，支持載波聚合。

寬度前所未有的帶寬和新波形

用于實現 5G 高數據速率的寬度前所未有的帶寬和新波形為 RF 功率輸出、電源管理和線性度帶來了巨大挑戰。

當今的旗艦 LTE 手機通常都使用包絡跟蹤 (ET) 和 PA 來最小化功耗。ET 通過不斷調整 PA 電源電壓以跟蹤 RF 包絡的方式來優化效率。然而，包絡跟蹤器預計在 5G 部署期間只支持最多 60 MHz 帶寬，而新 5G 頻段（如 n77 和n79）將支持高達 100 MHz 帶寬的單載波傳輸。因此，PA 將需要在平均功率跟蹤 (APT) 固定電壓模式下運行，以實現寬帶 5G 傳輸，同時會降低效率。

表 1 中高亮顯示的新 5G 波形增加了挑戰性。將更高的 CP-OFDM 高峰均功率比 (PAR) 與海量信道帶寬組合要求在

5G 中增加 PA 回退值，以避免超出規定限值，并保持高品質數據鏈路所需的線性度。結果，傳輸鏈效率有可能會下降，且 PA 設計可能需要滿足極具挑戰性的高線性功率要求。

這好像并不是那么復雜，RF 前端 (RFFE) 可能還需要支持 LTE，以便在已將 FR1 頻率用于 LTE 的區域實現向后兼容性。為最大限度地延長電池續航時間，手機制造商希望盡可能地使用 ET，這意味著使用 ET 實現 LTE 傳輸和最高60 MHz 寬頻率的 5G 信號。因此，PA 必須在 ET 模式下實現高飽和效率，在 APT 模式下實現高線性效率。平衡高帶寬 APT 模式和低帶寬 ET 模式之間的 PA 運行給 RFFE 供應商帶來了額外的復雜性挑戰。此外，我們需要高級電源管理來實現 ET 和 APT 模式之間的切換。

LTE 頻段重新分配的復雜性

重新分配 LTE 頻段以滿足 5G NR 規范要求會產生額外的復雜性。在未來數年內，許多現有的 3G/4G 頻譜分配將逐步被重新分配為 5G NR 頻段。在每個市場完成這一過渡之前，智能手機 PA 將需要能夠在每個所述頻段中高效地支持 4G 和 5G 傳輸。預計，在所有頻段上完全實現至 5G NR 的過渡可能需要十年或更長時間。在該頻率范圍內同時支持 LTE 和 5G 部署的需求給 RFFE 帶來了額外的復雜性。

例如，頻段 41 是最初被重新分配的一組頻段之一（重新分配為 n41）。作為 LTE 頻段使用時，技術理論上最大的帶寬為 60 MHz（通過聚合 3 個 20 MHz 載波實現），且 ET 可用于節省電力。作為 5G 頻段使用時，單載波帶寬最高可達 100 MHz，同時要求 PA 在 APT 模式下運行；信號帶寬的增長對 RF 濾波器設計也會產生影響。

此外，某些情況下，每個信道帶寬分配的資源模塊 (RB) 數量應作為 4G 至 5G 重新分配過渡的組成部分進行審查。許多 RB 限值都是幾年前最初創建 LTE 規范時確定的；從那時起，技術和知識已經發展到仍有改進空間的程度。移動運營商對這些改進空間非常感興趣，因為它們可以提高頻譜使用效率。對于手機 OEM 和 RF 前端供應商來說， 這將復雜性提升到了另一個層次，因為 RF 鏈可能需要以未包含在其最初設計中的方式運行。

應對挑戰

“如同在之前的技術過渡過程中，解決復雜的 5G 挑戰將需要創新型 RF 解決方案?！?/p>

由于標準的加速發展以及部署計劃的激進，5G 的發展速度超過了最初預期，從而增加了智能手機制造商的壓力，使其不得不快速調整手機以支持 5G。新標準帶來了史無前例的 RF 挑戰，而盡管這些規范仍在繼續發展，但仍必須利用現有的系統知識和專業技能來估計對 RF 設計的影響。另外，由于智能手機外形尺寸的限制，移動行業面臨著一系列前所未有的挑戰。如同在之前的技術過渡過程中，解決復雜的 5G 挑戰需要采用創新型 RF 解決方案。RF 供應商必須提高關鍵領域的標準，如 PA 設計、RFFE 模塊集成、天線調諧和天線轉換開關。在幫助手機 OEM 按時發布已成為消費者生活必需品的以數據為中心的移動設備方面，這些核心的5G 功能將發揮至關重要的作用。

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關于作者

Ben Thomas 是 Qorvo 公司 5G 移動業務開發部總監。在此之前，Thomas 先生擔任過高級手機功率平臺技術營銷總監、企業關系總監、業務開發經理和其他銷售職位。他擔任臺灣、韓國和中國分公司的地區銷售經理，負責分公司的開設和運營，為公司在亞洲的業務拓展做出了巨大貢獻。除了在 Qorvo 的現任職務，他還作為公司代表在3GPP RAN4 標準化機構任職。Thomas 先生擁有維克森林大學商學院的 MBA 學位以及喬治亞理工學院的電機工程學學士學位。

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