从5G手机拆解看射频前端如何发展？
2021-08-28
14:00:18
来源: 半导体行业观察
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在我们关于早期 5G 智能手机硬件设计的后续系列中，我们现在将注意力转向核心电子设备的 5G 射频前端 (RFFE) 部分。迄今为止，在 IHS Markit 采样的 6 家拥有 5G 智能手机的 OEM 中，其中 5 家在 RFFE 部分具有共同的设计主题；高通提供的完整5G RFFE解决方案。对 Qualcomm 的这种信任投票不仅表明他们作为调制解调器主要供应商的关键作用，而且表明他们在将行业首创的调制解调器到天线解决方案推向市场、击败现有 RFFE 组件供应商和破坏 RFFE 方面不断增长的专业知识5G市场。
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大多数早期 5G 智能手机设计被发现使用高通调制解调器和 RFFE 组件
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高通目前为智能手机提供业界唯一的商用毫米波 5G 调制解调器到天线设计
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5G RFFE 组件成本占整体 RFFE 的很大一部分，其中毫米波推动了最显着的增长
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采用经过验证的商用调制解调器和 RFFE 解决方案使 OEM 能够更有效地将开发工作集中在整体电话设计上
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凭借其先发优势，高通有望在 5G 智能手机中占据更大比例的半导体支出。
在我们关于早期 5G 智能手机硬件设计的后续系列中，我们现在将注意力转向核心电子设备的 5G 射频前端 (RFFE) 部分。迄今为止，在 IHS Markit 采样的 6 家拥有 5G 智能手机的 OEM 中，其中 5 家在 RFFE 部分具有共同的设计主题；高通提供的完整5G RFFE解决方案。对 Qualcomm 的信任投票不仅表明他们作为调制解调器主要供应商的关键作用，而且表明他们在将行业首创的调制解调器到天线解决方案推向市场方面不断增长的专业知识，击败了现有的 RFFE 组件供应商[1]和扰乱 5G 中的 RFFE 市场。
与之前智能手机落后于网络部署的 4G 过渡不同，5G 智能手机在 5G 网络发布的第一天就已经可用。此外，智能手机是展示 5G 功能的主要设备。迄今为止，IHS Markit 已经从六家原始设备制造商那里抽取了七款独特的 5G 智能手机设计。早期 5G 设备群体中 OEM 品牌的数量和多样性是前所未有的，尤其是考虑到为新的 5G 网络设计的 RF 挑战。从历史上看，只有技术能力更强的 OEM 才能率先推出新一代无线手机，但在这里，我们也有非传统或更小的 OEM，例如小米、Oppo 和一加；十年前，在 4G 过渡期间，行业不为人知的品牌。
早期的 5G 网络属于“非独立”类型[2]，这表明 5G 无线连接需要锚定 LTE 信号。这一要求对 RFFE 设计意味着 LTE 和 5G 将有两个不同的 RF 路径。这一要求将给当前的智能手机 RFFE 设计带来压力，这些设计由于 LTE-A [3]特性（例如载波聚合和多频段支持）而已经很复杂。在本白皮书中，我们将探讨这五款 Qualcomm 设计的 5G 智能手机的拆解结果，比较相似之处、相对物料清单 (BOM) 成本并指出独特的设计元素。
新网络中 5G 频谱的实施在不断发展的 RFFE 设计中具有重要意义。通过开放更大范围的频谱，5G 将提供更高的容量和速度。然而，为了支持那些更宽的带宽，必须相应地重新设计 RFFE 以支持所使用的频率。由于 6GHz 以下的 5G 频率与现有的 LTE RFFE 信号类似，因此挑战较小。该 5G 频率范围 (FR1) 通俗地称为“Sub-6GHz”。FR1 信号传播特性与现有高频段 LTE 的行为方式相同，但具有更宽的载波带宽（100-200MHz 与 LTE 中的 5-20MHz 相比）。
另一种更具挑战性的频谱范围 (FR2) 通常称为毫米波 (mmWave) 5G。由于其有限的信号传播和高衰减，FR2 频谱之前并未在移动电话应用中使用。然而，最大的开放频谱位于从 24GHz 到大约 90GHz 的频率范围内。为了克服毫米波的传统局限性，应用无线电技术中的特殊技术来扩展 FR2 的可用覆盖范围。聚焦波束成形和波束跟踪等射频技术部署在 5G 网络的边缘，以开放数百兆赫的带宽，使它们可供移动用户使用。
LG 是今年 2 月在巴塞罗那 MWC 上宣布推出 5G 智能手机的众多原始设备制造商之一。V50 ThinQ 5G 是一款低于 6GHz 的 5G 智能手机，最初是为美国运营商 Sprint [1] 设计的，后来重新用于部署低于 6GHz 的其他全球运营商（通常在 N77/78 @ 3.5GHz 频段）。
LG 采用第一代高通 X50 5G 设计，包括一个分立的 5G 收发器（SDR8154）和一对 RFFE 模块、QPM5650 发射模块和 QDM5650 分集接收模块，以支持单频段 N77/78 sub-6GHz 5G 网络。正如我们将在随后的拆解结果中看到的那样，这种第一代设计已被其他三个 OEM 采用相同的射频配置.
除了 RFFE 之外，第一代 5G 智能手机的一个设计挑战是找到足够的 PCB 表面来安装额外的 5G 组件。此处，Qualcomm X50 调制解调器位于 PCB 的顶部，与 Snapdragon 855 SoC 相邻，而其余的 RFFE 组件则安装在 PCB 的底部。LG 选择将所有 5G 组件安装在一个主 PCB 上，而不是采用模块化（即堆叠式 PCB）设计，这种设计可以交换以创建同一部手机的纯 LTE 或替代 5G 版本。因此，LG V50 ThinQ本质上是一款围绕高通架构设计的专用5G智能手机。
为了适应新的相机功能，Reno 已在更大的底盘上开发，从而能够使用更大的全屏显示器和更大的内部电池。
物理设计的这种增长为将 5G 组件放置到手机中创造了额外的空间。
这种策略允许 Oppo 营销和销售其旗舰智能手机的两个不同版本，其设计基本相同。
这是寻求降低供应链复杂性的竞争性原始设备制造商之间的流行策略。
在 Oppo Reno 5G 中，模块化射频板用于根据全球不同地区和市场交换 [和] 交换射频组件。这种方法使 Oppo 不必过度投资特定市场不需要的射频组件。这里再次使用高通 X50 调制解调器、SDR8154 收发器和一对 RFFE 模块（QDM5650 和 QPM5650）来完成 5G 调制解调器到天线的设计。由于这款 Oppo Reno 5G 是在欧洲购买的，因此 RFFE 支持大多数早期欧洲 5G 网络部署使用的单一公共频率 (N78)。
就像之前讨论的 Oppo Reno 一样，Mi Mix 3 5G 的设计具有高度可配置性，以便服务于不同的全球市场。小米利用现有的 Mi Mix 3 设计平台创建了 5G 版本。小米之所以采用这种设计方式，是因为不仅有助于更快获得 5G 市场，而且有助于整体设备 SKU 管理。
小米采用完全模块化的调制解调器到天线 5G 设计（而 Oppo 使用模块化 RFFE 设计），非常适合将 5G 功能快速添加到市场验证的设计中。上面的 5G PCB 组件包含完整的 X50 调制解调器、SDR8154 收发器、QPM5650 前端和 QDM5650 分集模块。Mi Mix 3 5G 主板中还有未填充的芯片着陆垫。对于具有 2 个不同的 Sub-6GHz 5G 频率的市场（中国国内市场就是这种情况），这可能是设计考虑因素。此处采样的模型是为使用主要频段 N77/78 的欧洲市场设计的。
与 LG V50 5G 设计一样，所有高通 5G 组件都安装在一个通用的主 PCB 上。然而，与 LG V50 不同的是，一加 7Pro 并不是专门打造的 5G 智能手机平台。OnePlus 利用其 OnePlus 7 Pro 平台添加 5G 功能——采用与 Oppo 和小米相同的策略。通过重用现有设计，OnePlus 能够将大部分纯 LTE 设计留在原处（降低成本）。然而，为了适应 5G 组件，OnePlus 选择旋转新的 PCB 设计，而不是走之前描述的 Oppo 和小米使用的模块化路线
OnePlus 具有形状奇特的主 PCB。这样做的原因是为了创造容纳铰接式前置摄像头所需的空间。自拍相机在需要时弹出，在不保留不间断全屏设计时缩回手机。对于一加来说，在这个 5G 设计中唯一的妥协就是在 LTE-only 版本和 5G 版本之间创建一个完全不同的主 PCB 设计。虽然这种策略增加了制造的复杂性，但鉴于弹出式自拍相机所需的空间，这样做是为了尽可能降低手机厚度。OnePlus 7 Pro 是在英国 EE 网络上提供的独家 5G 智能手机，并在 5G 频段 N78 上运行。
是市场上为数不多的毫米波 5G 设备之一。与 Oppo、小米或 OnePlus 不同，三星是在更大版本的 Galaxy S10 系列旗舰手机上开发的。因此，与其他中国 OEM 厂商相比，这款专门打造的 5G 智能手机平台更类似于 LG V50 5G。三星 Galaxy S10+ 5G 有两个不同的版本。一个用于 Sub-6GHz 5G（国际市场），另一个用于美国 Verizon 独有的毫米波 5G 网络。我们将讨论的模型是毫米波版本。
三星工程师为三个 Qualcomm QTM052 毫米波天线模块创建了三个内腔，这些天线模块安装在后盖正下方，以实现最佳射频接收。
毫米波天线模块需要高度集成，以减少射频组件之间的距离（和信号损失）。该模块包括一系列四个相控阵天线[1]，与电源管理 IC (PMIC) 和收发器一起封装在天线堆栈下方。在毫米波通信体制内，5G RFFE 的信号预算至关重要。选择使用高通解决方案而不是他们自己的射频解决方案证明了高通在毫米波 5G 技术方面的早期技术领先地位。拥有完整的调制解调器到天线解决方案对于确保 5G 无线电针对信号接收和低功耗进行优化也至关重要。
对冗余毫米波天线模块的需求显然会增加毫米波 5G 手机的 BOM 成本。随着时间的推移，随着毫米波 5G 天线模块供应链规模的扩大，天线模块和其他 5G 射频组件的价格将下降。然而，第一代 5G RFFE 将比现有 LTE RFFE 解决方案具有显着的成本溢价，这是一个明确无误的事实。以至于在这个第一代示例中，毫米波组件的成本远远超过多频段 LTE RFFE 的成本。
上图总结了在本文分析的五款第一代 5G 手机中添加 5G RFFE 的成本溢价。请注意，此选择性 BOM 成本分析不包括 5G 基带的成本。LTE 和 5G RFFE 成本比较仅使用从 RF 收发器到天线的组件。
拆解数据显示，Sub-6GHz 5G RFFE 的成本溢价约为现有 LTE RFFE 成本的一半。而毫米波解决方案（以三星设备为例）的成本是现有 LTE RFFE 的两倍。我们必须提醒的是，这些早期结果预计会很高，因为第一代设计总是带有成本溢价。正如十年前的早期 LTE 设计一样，后续几代 5G 手机设计应该会降低 5G RFFE 的成本溢价。在成熟的 5G 设计中，5G RFFE 有望被吸收到集成的 5G/4G/3G RFFE 设计中。这张成本溢价图表突出了 5G RFFE 的重要性，可以用来论证在组件成本方面，5G RFFE 与调制解调器芯片组一样重要的观点。
5G 智能手机设计仍处于早期阶段，RFFE 组件行业无疑即将发生更大的变化。我们期待潜在的技术突破和未来的先进能力。
正如之前的白皮书所讨论的那样，5G 时代为核心电子供应商带来了新的挑战。具体来说，调制解调器能力不再是能力的标准衡量标准，而是整个调制解调器到天线设计被视为 5G 组件产品的新标准。高通清楚地抓住了这种完整 5G RFFE 产品的新设计范式的先发优势，但现有的 RFFE 供应商并没有坐视这种市场中断。随着 5G 智能手机的成熟，现有的组件制造商通过提供更完整的 RFFE 解决方案做出回应，预计 RFFE 组件市场将会升温。对于智能手机制造，最终归结为成本与性能的平衡行为。
拆解分析中连接所有五款 5G 智能手机的共同点是，它们都使用具有高通 X50 平台的第一代设计。更重要的是，在每个示例中都使用了完整的 Qualcomm 调制解调器到天线解决方案——无论它是低于 6GHz 还是毫米波 RFFE。高通在第一轮 5G 手机中获得更高的智能手机组件份额这一事实告诉我们：
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预烘焙 5G 解决方案可帮助 OEM 更快地进入市场。
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完整的调制解调器到天线解决方案可节省开发成本并降低早期 5G 设计的风险（就像在 4G LTE 中所做的那样）
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拥有从调制解调器到天线的单一组件供应商还有其他好处，例如优化射频链上下游的功耗
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随着 RFFE 复杂性的增加，OEM 的理想设计和供应商选择
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很少有竞争力的 5G 组件供应商推动 Qualcomm 完整的调制解调器到天线解决方案的早期胜利
进入 2020 年的新设计周期，预计第二代 5G 解决方案将在 4G LTE 和 5G NR 之间实现更紧密的组件集成。此外，我们将开始看到在同一个 RFFE 中结合了 Sub-6GH 和毫米波的 5G 设备。这些设计将实现更好的芯片级集成、4G 和 5G RFFE 的融合并降低总体成本。第二代 5G 设计被定义为支持多模 5G/4G/3G/2G 的调制解调器（单芯片调制解调器）功能和处理 LTE 和 5G 的融合单射频收发器以及融合 RFFE 设计。多个基于高通 X55 第二代 5G 平台的 5G 设计即将发布，使 OEM 厂商能够在调制解调器和 RFFE 的组件集成和成本优化方面取得更大的进步。其他已宣布多模 5G/4G/3G/2G 设计的商用调制解调器供应商包括 Mediatek 和 UniSoC，但是，迄今为止，这些仍然主要是仅调制解调器的预生产解决方案，没有配套的 5G RFFE 设计。海思（华为）和 Exynos（三星）等专属供应商可能会提供更新一代的 5G 设计，但同样不是完整的调制解调器到天线解决方案。
毫米波 5G 的射频设计挑战仍将存在于第二代 5G 手机中。毫米波衰减继续为移动 RFFE 设计带来问题。全球前三大 OEM [三星、华为和苹果（英特尔收购）] 拥有一些毫米波功能，但它们都以可行的解决方案落后于高通进入市场。至于高通的毫米波技术演进，该组件制造商正在准备更小的天线模块设计，通过允许更轻松地放置毫米波天线模块，这将更好地帮助适应智能手机工业设计。
随着行业在未来几年经历 5G 转型，预计 RFFE 格局将发生重大变化。大型 OEM 可能会尝试摆脱单一供应商的调制解调器到天线解决方案，以保留多源功能，但完整解决方案的优势不容忽视，尤其是对于有志于扩大市场地位的竞争性 OEM 而言与 5G 技术。
每一次新技术转型都会带来市场颠覆的机会。虽然 RF 前端市场有几家现有厂商在特定 RFFE 利基组件（即用于 BAW 滤波器的 Avago/Broadcom、用于 Qorvo 的 PAMiD 和用于 Murata 的滤波器/天线）的同类最佳供应商，但没有现有供应商从调制解调器组装完整的解决方案到收发器到 RFFE 和天线直到现在。高通进军 RFFE 市场显然就是针对这个新机遇。这一战略的成功取决于许多因素，其中最不重要的是 5G 的采用、RFFE 解决方案的成本以及现有参与者的竞争力。然而，对于第一轮 5G，高通似乎凭借其调制解调器到天线的产品赢得了胜利。
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