5G时代将为射频前端带来新的技术挑战
思瀚产业研究院 慧智微    2023-11-01

（1）5G 射频功率放大器技术难度明显提升，推高射频 PA 公司产品升级的技术门槛

在 4G 时代，无线通信的频率一般最高不超过 3GHz，带宽一般不超过 20MHz。为了进一步提高通信速率，5G 通信要求更高的通信频率、更大的通信带宽。2017 年 12 月，《3GPP Release 15 5G NR 规范》（简称 R15）获得 3GPP 标准化协会通过，成为商用 5G 产品的基础。2020 年 7 月，3GPP Release 16 版本正式通过，R16 不仅增强了 5G 的功能，还更多兼顾了成本、效率、效能等因素，使通信基础投资发挥更大的效益。

该规范规定 5G NR（5G 新空口）频谱包含Sub-6GHz 的频率范围 1（FR1）和毫米波的频率范围 2（FR2），其中 FR1 的频率范围为410 MHz – 7125 MH（z 因大部分频谱规划及R15版本均在6GHz以下，业界通俗称 sub-6GHz），FR2 的频率范围为 24250 MHz - 52600 MHz。

考虑到经济性和兼容性，5G FR1 是目前全球主流的 5G 部署频段，5G NR 在 FR1 Sub-6GHz的频率范围内共定义多个频段，其中包含了与 4G LTE 协议复用频段的 5G 重耕频段，该类频段的通信频率一般低于 3GHz；以及 5G 新频段，该类频段的通信频率一般介于 3GHz 到 6GHz 之间。思瀚发布《2023-2028年国内射频前端行业市场现状及发展研究报告》

FR1 的 5G 新频段中 n77、n78 和 n79 已成为 5G 在 Sub-6GHz 频率的部署主力频段，频率范围覆盖 3.3GHz 至 5.0GHz。此频段的 PA 设计难度大幅增加，首先，5G 新频段的通信频率相比 4G 大幅提升，高频要求更高的放大功率以抵减传播路径损耗，大大提升了 PA 的设计难度；其次，5G 新频段的信号通信带宽大幅超过 4G 通信的信号带宽，PA 芯片在支持大带宽信号时会带来增益下降，推高功率的难度进一步提升；

同时 5G 宽带通信系统会带来较高的峰均比，从而导致 PA 线性度较难保障，为解决线性度难题 PA 需要设计较大的功率回退，从而导致 PA 的效率下降、发热增加，因此提升 PA 效率又成为设计难点；最后，由于射频前端需同时兼容更多的通信线路，器件数量上升，在有限的面积下需要更高的集成度，5G 射频前端集成化模组的设计越来越重要。因此，更高频率的5G 新频段为射频前端、功率放大器芯片的设计带来较大挑战。

进一步地，在 5G毫米波通信领域，通信频率处于 30GHz 左右，通信频率大幅提升，依赖全新的射频前端器件硬件结构和工作方式，对射频前端技术的要求进一步提升。在 5G重耕频段，尽管通信频率与 4G 共频，但对带宽的要求进一步增加，宽带通信导致 PA 线性度及功率增益较难保障。

综上所述，5G 通信技术为 PA 芯片的设计带来较大挑战，射频 PA 厂商必须跨越 5G 射频的技术门槛，快速推出性能优良、成本适宜的射频前端芯片，才能在与国际厂商的竞争中取得一席之地。此外，PA 芯片一般均会采用砷化镓材料相关工艺，其与主流的硅基工艺差异较大，熟悉砷化镓器件的特性并积累砷化镓器件的设计经验均需要较长时间，对于从事滤波器、LNA、开关、天线等其他射频前端公司而言，具备较高的进入壁垒。

（2）5G 射频模组中 PA 芯片的重要性进一步提升，产业影响力进一步凸显

在 3GHz 以下的通信频段内，无线通信主力部署的通信频率主要集中在1GHz~3GHz，包含了大量 FDD LTE、TDD LTE 及 TD-SCDMA 等无线通信频段并最早支持载波聚合，同时还包含 GPS、Wi-Fi 2.4G、蓝牙等重要的非蜂窝通信频段，导致该频段范围内各通信频段的分布较为密集，处理密集频段间的干扰主要依赖滤波器。因此，多频段、高性能的滤波器和双工器在 3GHz 以下通信频率的重要性极高，而该频段商用时间较长，PA 技术已经相对成熟，已有多家国产射频前端公司在该领域实现突破。

随着 5G 通信向 3GHz 以上通信频率拓展，该频段范围内频谱资源丰富，干扰频段较少，对滤波器性能的要求相对下降，而 PA 芯片的设计难度大幅提升。因此，在 3GHz 以上通信频段中高性能 PA 的重要性逐渐凸显，已成为 5G 新频段射频前端的关键瓶颈。

Yole 在《5G’s Impact on RF Front-End and Connectivity for Cellphones report，2019》中针对滤波器和双工器供应链趋势作出分析：手机厂商除了传统的独立元器件或射频前端模块的模式，越来越多开始尝试其它创新的手段，由 PA 厂商统一整合滤波器到 PA 模块中，从而在体积、性能以及上市时间上赢得优势。由此可见，PA 芯片在 5G 射频供应链中将占据主导位置，整合其他射频前端器件资源，成为面向终端客户的直接供应商，产业影响力进一步提升。根据 Yole 预测，

2019 年至 2026 年功率放大器模组、FEM 模组、AiP 模组等集成化领域增速较快，而分立滤波器的增速相对较慢，体现了集成化趋势下对射频前端产业带来的深刻影响。

（3）5G 通信对射频前端的集成度要求更高，对射频厂商的系统化设计能力提出挑战

4G LTE 通信时代射频前端既可以采用分立方案，也可以采用模组方案，一般而言采用模组方案可以获得更高的集成度和更优的性能，主要用于高端手机，而采用分立方案亦能满足需求，但其性能中等，主要用于中低端手机。为满足5G 通信需求，射频前端器件的数量大幅上升，在智能手机空间受限下无法采用分立方案，且采用分立方案将带来较长的终端调试周期和调试成本。因此，在5G 新频段领域一般采用 L-PAMiF、L-FEM 等模组形式。

在射频前端模组化趋势下，一方面要求射频前端公司拥有较强的芯片设计能力，包括 PA、LNA、开关、滤波器等，尽可能覆盖各类型的器件类型从而提升模组的一致性和可靠性，提升开发效率；另一方面，射频前端集成度的提高，需要射频前端公司具备较强的集成化模组设计能力，通过优化器件布局，提高集成度和良率，从而提升射频前端的整体性能，同时还要求射频前端公司具备良好的SiP 封装工艺积累，尤其是采用有利于提高射频前端模组性能和集成度的倒装（Flipchip）封装工艺，考验射频前端厂商在芯片设计与封装设计的结合能力。