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全球首款5G射频前端模块
材料来源:《微波杂志》2018年5/6月号           录入时间:2018/5/23 15:46:29

全球首款5G射频前端模块

The World’s First 5G RF Front-End Module

随着市场对移动视频和其它应用的需求日益增长,为智能手机和其它移动设备提供5G的日程也不断加快。2017年3月,3GPP标准组批准了一项新的5G非独立(NSA)无线电标准。这项标准让移动运营商可以利用其现有的4G基础设施提供5G增强型移动宽带(eMBB)服务。因此,5G移动部署预计最早于2019年开始,初期5G实施将使用3.3和3.8GHz之间的频率。

在移动带宽方面,5G将作为4G的补充而非取而代之。采用载波聚合的LTE Advanced和LTE Advanced Pro网络有望提供高达1Gbps左右的峰值数据速率,足以满足许多应用的需求。5G将大幅提高峰值网络速度——高达10Gbps左右,以支持带宽密集型应用,例如直播视频和增强现实(图1)。与5G独立(SA)规范不同,5G NSA使用现有的4G LTE无线电和核心网络作为“锚”,搭配5G数据载波进行控制和管理。

图1:5G与4G性能比较。

为支持5G,移动设备射频前端(RFFE)面临巨大挑战,包括新频段、海量带宽、高输出功率以及4G和5G波形。作为全球首款5G移动RFFE,Qorvo QM19000旨在应对这些挑战。QM19000获得了GTI 2017年“移动技术创新突破奖。如图2所示,QM19000将功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、发送/接收(Tx/Rx)开关和宽带滤波器集成到单个模块中,支持高达400MHz的带宽,频率范围为3.3至4.2GHz。

图2:QM19000 RFFE模块的功能。

5G对RFFE功效和线性度的要求非常复杂,因为在区域应用中,3.5GHz频段已经用于LTE,需要具备向后兼容性。例如,5G信号比4G中使用的信号宽得多;单个4G LTE载波最大提供20MHz,而5G Tx信号带宽的一般目标是100MHz。对于4G,包络跟踪(ET)广泛用于移动前端以最大程度提高功效;但它不能用于5G,因为当今的包络跟踪器支持的最大带宽为40MHz。5G必须使用平均功率跟踪(APT)模式(即固定电压),而非ET。PA必须为5G传输提供高线性效率,同时在将ET用于4G信号时提供高饱和效率。QM19000支持高级电源管理,可使模块在ET和APT模式之间切换。

其它挑战在于,5G规范定义了两个可选波形:循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)和离散傅立叶变换扩展OFDM(DFT-S-OFDM)。CP-OFDM在资源块中提供了很高的频谱封装效率(高达98%),并为多路输入多路输出(MIMO)提供了良好的支持。当运营商优先考虑尽可能提高网络容量时(例如在密集城市环境中),可能会使用该波形。与LTE的情况相比,CP-OFDM和海量带宽组合会大幅提高峰均功率比(PAR),要求增加PA中的回退值,以避免超出规定限值。因此,PA必须在较宽功率水平范围内提供高功效和高线性度。RFFE也必须支持DFT-S-OFDM,这是用于LTE上行链路的同一波形,其频谱封装效率较低,但范围更广。

5G RFFE还需要支持2级功率(一种更高输出功率规范),以克服高频下的更大传播损耗。2级功率最初批准用于特定的4G频段,可将天线的输出功率倍增至26dBm。对于5G SA,2级功率是所有新频段的基准要求。

为同时满足4G和5G的所有Tx要求(包括饱和及线性效率),QM19000搭载了一个采用Qorvo GaAs HBT5工艺制造的两级PA。除了提高效率外,HBT5还可在5G所用的高频下提供比SiGe等其它技术更高的增益。HBT5 PA还具备支持更高功率输出所需的热性能,并采用Qorvo Cu Flip铜凸块封装技术实现高效散热。即使是HBT PA,也需要额外的放大来满足更高输出功率(例如2级功率)的特定要求。若使用CP-OFMD,收发器驱动电平预计会降低多达3dB,此时可能还需要额外增益。QM19000搭载了一个额外的可变增益放大器以满足这些需求。

在支持5G性能要求的同时,QM19000还有助于智能手机制造商在严格的空间限制内提供复杂的RF功能。例如,MIMO是提供5G所承诺的高数据速率的关键技术。设备制造商应该会将4×4 MIMO用于下行链路,而一些实施方案可能为上行链路额外提供2x MIMO。这意味着制造商需要整合更多RF链,而智能手机中分配给RF器件的空间是基本固定的。QM19000等高度集成的模块对于实现这一目标至关重要。

5G将逐渐涵盖一系列不同的用例,每种用例都会带来新的RF挑战。Qorvo将不断扩展旨在应对这些挑战的5G解决方案产品组合,而QM19000正是其中之一。

Qorvo Inc.

美国北卡罗莱纳州格林斯博罗

www.qorvo.com


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