射频前端设计正在经历彻底的变革，以满足6GHz和毫米波频谱5G应用的巨大带宽需求。
5G最早于2019年底开始实施，从那时起，射频前端(RFFE)设计已取得长足进步，集成度更高了，并支持从2G到5G的多模式工作。
例如，RFFE中的数据转换器现在已能够支持毫米波(mmWave)频段中的可用信道带宽，这将促使RF架构变得通用，并通过将数字/模拟鸿沟移到天线附近来降低RF电路的复杂性。
RFFE也称为射频前端模块，采用智能分区架构，集成了高速放大器、接收模数转换器、发送路径数模转换器以及不断缩小的高频滤波器。集成是5G射频设计最重要的目的，因为分立式RF解决方案已不能满足其需求。
例如，高通的RFFE在调制解调器和天线之间集成了多个射频组件。这些调制解调器到天线解决方案集调制解调器、射频收发器、射频前端组件以及天线模组为一体，使移动OEM能够快速推出支持n53、n70和n259(41GHz)等新频段的商用设备。
一个最新的例子是高通公司第四代5G调制解调器到天线解决方案骁龙X65 5G调制解调器-射频系统(图1)。骁龙X65支持带宽高达1GHz的毫米波频谱聚合和300MHz的sub-6GHz频谱聚合。
图1：X65是高通第四代5G调制解调器到天线解决方案，具有天线调谐和频谱聚合功能。(图片来源：高通)
ADI公司的ADRF554x射频前端则适用于大规模MIMO(M-MIMO)。这些RFFE大幅增加了可同时在多个频段中工作的收发器通道数量，并将所有必要的硬件挤进更小的封装中。
ADRF554x系列射频前端集成了采用硅工艺的大功率开关和采用GaAs工艺的高性能低噪声放大器，可覆盖1.8GHz至5.3GHz蜂窝频段，同时针对M-MIMO天线接口进行了优化设计。
由于需要支持更多的天线和频段，并需要大量的组件来实现足够大的覆盖区域，可以预见射频设计将前所未有的复杂。由于5G射频的复杂性不断增加，这在早期曾让很多制造商望而却步，因为他们不具备开发此类复杂射频子系统的专业技术。然而，随着5G设计渐趋成熟，越来越多的供应商现在又重新面对RFFE设计的挑战。
随着大量基站部署在迷你、微型、微微和毫微微蜂窝环境中，以及新型终端设备应用在物联网和工业物联网中，射频设计代表5G网络面临巨大的机遇。它很可能使联网设备激增，以适应高度多样化的用例和需求。
在RFFE设计中，为了适应大大增加的无线数据量，频谱效率和重用、更高的速度和更低的延迟是需要考虑的主要因素。首先，频谱效率至关重要，毫米波频率(6GHz以上的频谱)因具有很大的可用带宽而备受关注。但毫米波频段在室外的传输极具挑战性，RFFE设计任务就是减少路径损耗、氧气和H2O吸收、穿过树叶的损耗以及因下雨而引起的衰减。射频设计人员通常会采用波束成形和波束跟踪技术来解决毫米波频率中的不良通道特性。
其次，速度在RFFE设计中也至关重要，因为相比之前的2G、3G和4G系统，5G系统的数据速率要高很多。目前的5G系统速率是4G LTE系统的10倍。
第三，随着5G访问速度的提升，延迟成为新的考量因素。相比之前的3G和4G系统，延迟在5G RFFE中的重要性凸显。5G的最小延迟为1ms甚至更短；在4G系统中，延迟在50ms至98ms之间；在3G系统中为212ms，而在2G系统中则高达629ms。现在，新的5G服务都采用超可靠的低延迟通信功能来管理延迟问题。图2所示为高通X55 5G调制解调器-射频系统，是高度集成的RFFE解决方案。
图2：高通X55 5G调制解调器-射频系统等高度集成的RFFE解决方案支持任意频段和模式的组合，让工程师能够专注于工业设计和用户接口，从而在更短的时间内设计出性能更好、价格更低的产品。(图片来源：高通)
5G设计中存在的RFFE问题暴露了射频技术本身所具有的破坏性，尤其是当射频采样越来越靠近天线时，但这种设计反过来又可以简化和缩小射频封装尺寸并实现更高的集成度。在这个技术的十字路口，设计人员如何在控制设计复杂性的同时提高集成度？下面来详细介绍射频行业的最新动向。
OpenRF是最近成立的开放射频行业联盟，其工作宗旨是在5G设计的多模射频前端之间实现硬件和软件的功能互操作性。这个开放组织将促进硬件和软件接口的标准化，而射频解决方案供应商仍然可以进行创新设计。该联盟的创始成员包括博通、英特尔、联发科、村田、Qorvo和三星。
Mobile Experts首席分析师Joe Madden认为，移动行业越来越需要以结构性改革来应对不断增加的复杂性，这正是射频前端设计能做到的。他说，“OpenRF将对非竞争领域的构建模块进行标准化，而使RFFE供应商能够集中力量进行创新。”
值得一提的是，定义射频前端控制接口的MIPI RFFE规范将继续由MIPI联盟的RFFE工作小组制订。此外，OpenRF将与MIPI联盟签订联络协议。
本文概述了在5G手机和基础设施的射频前端设计中所面临的挑战、相应的解决方案和行业计划，总结出高度集成化的需求促进了RFFE的模块化。而且，射频前端是对进出天线的信号进行路由、过滤和放大必不可少的组件，高度集成的设计将直接降低设备功耗，这对全天候依靠电池供电的5G设备至关重要。
（原文刊登于EDN姐妹网站Electronic Products网站，参考链接：5G designs push RF front-end modularization closer to reality，由Jenny Liao编译。）
本文为《电子技术设计》2021年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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