5g山雨欲来风满楼手机射频竞风流第一篇天线阵列天线横空出世Word文件下载.docx
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5G时代,天线及射频业务大有可为。
公司在高端天线具有核心竞争能力,在A客户手机、平板及笔记本电脑方面的供货占比有望逐步提升,尤其是平板及笔记本电脑方面,对天线的需求远高于手机,公司在微软Surface上的天线供货占比占超过60%。
A客户有望在2018-2019年推出具有5G通信功能的手机,公司是A公司天线主力供应商,将直接受益。
目前公司射频相关产品有天线、射频连接、射频隔离及SAW滤波器,公司成立5G研究院,积极研发5G通信的射频器件技术,有望充分受益5G产业的发展。
公司依托在高端天线领域的深厚积累,加大在声学方面的布局力度,为客户提供音射频一体化模组,公司在声学器件方面通过3年的开发,已具备一定的实力,声学器件2017年有望出现爆发式增长。
立讯精密:
手机天线及基站天线、滤波器将深度受益5G。
在天线方面,公司已布局多年,从全球知名公司引进了一支优秀团队,增强了技术力量,基站天线目前已在量产,智能终端用天线及相关产品的开发及认证进展顺利,并逐步导入A客户,有望在A客户2017年的新品上成为主力供应商。
5G通信基站和终端设备均要采用阵列天线,将新增大量的微基站,基站天线、滤波器数量要增加近30倍,此外,公司在光电解决方案和企业级互联解决方案上也有布局,将深度受益5G通信。
风险提示5G通信推进缓慢,5G手机渗透率不及预期。
1、5G通信-紧锣密鼓进行时1.15G-新通信时代的到来5G是第五代移动通信技术,5G不是一个单一的无线接入技术(与4G、3G和2G不同),也不是一个全新的无线接入技术,而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术集成后的解决方案总称。
5G用户体验速率可达100Mbps至1Gbps,能够支持移动虚拟现实等极致业务体验;
5G峰值速率可达10至20Gbps,流量密度可达10Mbps/平方米,能够支持未来千倍以上移动业务流量增长;
5G连接数密度可达100万个/平方公里,能够有效支持海量的物联网设备;
5G传输时延可达毫秒量级,可满足车联网和工业控制的严苛要求;
5G能够支持500公里/小时的移动速度,能够在高铁环境下实现良好的用户体验。
此外,为了保证对频谱和能源的有效利用,5G的频谱效率将比4G提高3~5倍,能效将比4G提升100倍。
5G网络是物联网的基础,JuniperResearch预测,到2020年,物联网设备的总量将达到385亿台左右,比2015年增长了285%。
然而,如此庞大的设备数量,不是现在的网络基础能够应付的。
所以,5G是实现“万物互联”的重要基础。
4G通信系统的发展方兴未艾,5G的步伐就已紧随其后。
移动通信系统的发展即将开启新的篇章。
中国移动总裁李跃12月20日在“2016全球合作伙伴大会”上详解中国移动的5G发展策略,计划2018年推动5G的规模实验和试商用,按照国家的总体目标,2020年实现全国范围的5G商用。
韩国在通信技术上走在全球前列,是第一个推出LTE-Advanced网络的国家,有望在2018年冬奥会期间成为首个推广5G网络的国家。
1.2爱立信推出5G原型机爱立信在2016年中国国际信息通信展览会上展示了5G无线原型机,峰值吞吐量可超过25Gbps,5G无线原型机大小相当于一个随身携带的行李,但容量相当于40个LTE载波。
该设备全新架构的无线接取网路,及全球第一部非商用量产型号的原型终端,整合4x4MIMO功能天线并具备内载电池与行动能力。
此5G原型机在无线接取技术上有两大特点,其一是15GHz超高频(SHF)工作频率,相对目前LTE大多在2.6GHz以下之特高频段(UHF)。
另外一大特点是400MHz的超大频宽(Bandwidth),大频宽可提供相对高的速度,而LTE每个载波频宽最大只有20MHz,透过载波聚合方式,增加传输速度。
它采用大规模MIMO(massive-MIMO),多用户MIMO、以及大量天线(阵列)的波束赋形技术来提升用户体验,借助波束追踪功能,爱立信5G无线原型能够追踪终端的位置和运动情况,并且能够实时从多个波束中选出对该终端而言位于最佳方向的一个波束,从而确保优质可靠的连接。
1.3高通推出首个5Gmodem芯片高频段移动传输面临非常大的挑战,高通在2016年MWC大会上演示了基于毫米波的5G基站与终端原型,运用了大量的天线技术,基站侧用了128根天线,在终端侧用了16根天线。
同时,还采用了非常先进的波束成型技术。
所谓波束成型技术,其中一个用例就是,未来拿着一部5G终端,当移动的时候,这个技术能够非常精准地跟踪,保证连接不中断,解决了毫米波在移动性上的一个挑战。
即使是在非视距的环境中,也就是基站和用户之间不存在任何视距元素,高通的毫米波技术可以利用楼宇或周围环境物的反射,始终保持基站与终端之间链路的连接,使用波束成型技术和具备在非视距条件下保持连接的能力是发展毫米波技术的关键。
目前高通已经推出了推出业界首个5Gmodem芯片以及首款商用千兆级LTE芯片。
高通骁龙X505G调制解调器预计将于2017年下半年开始出样,首批商用终端也预计将在2018年上半年推出。
高通在2016年10月公布了X505G调制解调器,成为了业界第一个推出5Gmodem的厂商。
它的能力是支持5G早期验证和技术储备的一款调制解调器芯片,针对几个比较特定的用户场景,它可将8个载波聚合起来。
当带宽宽了之后,上面有更高的通信处理方式,可以提供下行5Gbps的速率,这个比1Gbps的千兆级LTE提升了5倍。
这款产品旨在支持OEM厂商打造下一代蜂窝终端,并协助运营商开展早期5G试验和部署。
骁龙X505G调制解调器采用了先进的自适应波束成形和波束追踪技术,补偿了毫米波传输性能的一些弱势,并可以在非视距的使用场景下发挥很好的性能。
同时,骁龙X505G调制解调器是Qualcomm4G/5G多模、双连接解决方案中的一部分,它可以和预先嵌入千兆级LTE调制解调器的骁龙系列SoC一起协同工作,共同实现4G/5G多模解决方案。
千兆级LTE在5G时代的意义重大。
千兆级速率是光纤级别的速率,和家里光纤速率是持平,或者是更高的。
这在无线领域还是一个很新的成就是一个很高的标杆,这里面应用到的几个主要技术包括:
载波聚合、高阶调制、更高阶的MIMO。
1.4英特尔(Intel)发布5G通信芯片在2017年CES展上,英特尔宣布了世界上首个能覆盖全球波段的5GModem方案,这套方案由三部分组成,代号为GoldBridge的新Modem芯片、代号为SegulaPeak的28GHz毫米波射频芯片,以及最近新追加的MonumentalSummit6GHz以下频段射频芯片。
SegulaPeak就是Intel去年在MWC上给合作伙伴提供的开发方案里的IC,现在有了两块新芯片的加入,可以让Intel这套5G方案能轻松在毫米波和6GHz频段间无缝聚合和过渡。
虽说5G目前尚未形成一个统一的标准,但Intel已经对5G可能用到的频段进行了预判,并且早已开始行动。
英特尔公司于2017年1月4日发布了其首款第五代移动通信标准(5G)通信芯片,预计2017年下半年将有限量的5G调制解调器芯片面市,预计该芯片将应用于汽车、家庭网络和移动设备。
英特尔即将推出的5G调制解调芯片预计将带来超过5Gbps数据的传输速率,达到4GLTE网络峰值速率的约100倍。
未来几年,5G网络将用于管理大量的互联设备。
英特尔表示,新产品将与当前的LTE调制解调芯片配合,使设备同时兼容4G和5G网络。
1.55G通信,手机先行2014年中国正式开通4G网络,但是在2012-2013年已经有大量的手机具备4G通信功能,而在4G开通后的第二年,4G手机出货渗透率高达74.7%。
5G也不例外,我们预计在2018年开始,就会有手机具备5G通信功能,而到2020年,5G手机出货渗透率将达到35%。
2、5G通信-手机射频的大机遇2.1射频器件-手机通信的基石手机射频部分由射频接收和射频发送两部分组成,其主要电路包括天线、无线开关、接收滤波、频率合成器、高频放大、接收本振、混频、中频、发射本振、功放控制、功放等。
总体来说,基本的手机射频部分中的关键元件主要包括RF收发器(Transceiver),功率放大器(PA),天线开关模块(ASM),前端模块(FEM),双工器,RFSAW滤波器及合成器等。
随着CMOSRFIC的普及,越来越多的模块从分立器件转到了集成电路上。
然而,有一些器件由于各种各样的原因,目前还无法集成到传统CMOSRFIC上。
这些无法集成到RFIC上的射频器件通常称为射频前端模块(RFFrontendModule,RFFEM)。
一个完整的商用射频系统包括使用CMOS工艺实现的基带Modem,RFIC收发机,以及由非传统CMOS工艺实现的FEM。
FEM离基带较远而离天线较近,这也是FEM器件被称为“前端”的原因。
典型的手机射频前端(FEM)器件包含天线相关的器件、多路器与收/发开关、滤波器、功率放大器(PA)以及低噪声放大器(LNA)。
天线相关的器件:
天线调谐器与天线开关。
由于现代射频系统(如手机的射频系统)通常要覆盖多个频带(2G的GSM900MHz,PCS/DCS1.7/1.8GHz,3G的2.1GHz,4GTD-LTE的2.6GHz等),而每个天线的频率覆盖范围都有限,因此必须使用多组天线来覆盖全部频率,这样就需要天线开关来控制在不同的应用时切换到不同的天线。
同时,即使在使用同一组天线时,对于覆盖频带范围内的不同信道频率,天线的特征阻抗也会发生一些变化。
为了保证最大功率传输,一般会要求特征阻抗保持在50Ohm,这时候就需要天线调谐器帮忙来实现阻抗匹配。
对于天线开关,当与发射机配合使用时必须保证足够的线性度(发射机的发射功率可达30dBm),而与接收机配合使用时必须保证足够小的衰减,而这些要求一般CMOS工艺很难实现,因此必须使用非CMOS工艺。
多路器与收/发开关:
多路器和收/发开关的目的都是实现收发机与天线信号之间的定向传播。
多路器通常用于频分多路(FDM)系统,其中接收机和发射机的载波频率不同,但是可以同时工作。
多路器可以将发射机信号耦合到天线,或者将天线信号耦合到接收机,并且将发射机信号与接收机进行隔离以避免接收机链路被发射机干扰。
收/发开关则是用于时分多路(TDM)系统,其中在同一时刻接收机和发射机只会有一个在工作,因此需要把接收机或者发射机其中的一个接到天线。
多路器与收/发开关都必须满足很高的隔离度与很低得衰减,因此无法用传统CMOS工艺实现。
滤波器:
滤波器必须能够实现非常陡峭的频率响应曲线,这样才能把频带外信号衰减到足够小,同时噪声和插入损耗必须足够小。
滤波器所需的品质因数(Q)非常高,目前主流的实现方案是SAW(表面声波滤波器)与BAW(体声波滤波器)。
功率放大器(PA):
功率放大器是射频系统的关键模块,它需要把发射机的信号功率放大到足够大(如20dBm),才能满足通讯协议的要求。
随着无线通讯协议的发展,数据率越来越高,同时无线调制方式也越来越复杂,这导致了功率放大器的线性度必须足够好才能满足协议的需求。
另一方面,功率放大器的放大效率也不能太差,否则在放大信号的同时会消耗太多电池电量,导致手机一会儿就没电了。
CMOS工艺目前还无法实现同时满足线性度和放大效率的功率放大器,因此必须使用其他工艺(如GaAs)来做功率放大器。
低噪声放大器(LNA):
低噪声放大器是接收机的关键模块,决定了整个接收机的灵敏度。
低噪声放大器必须在噪声系数很低的同时满足线性度的需求。
目前在中低端射频系统中已经实现将LNA完全集成到RFIC上,但是在高端射频系统(例如在iPhone的一些型号中)还是使用了片外LNA模组以满足系统对于性能的需求。
移动通信产业发展快速,终端支持的无线连接协议越来越多,从最初的2G网络到现在的NFC、2G/3G/4G网络、WiFi、蓝牙、FM等,通信终端的射频器件单机使用数量及价值量得到大幅提升。
2.2移动通信快速发展,手机射频器件迅猛增长2013年12月4日工信部正式向三大运营商发布4G牌照,标志着正式迈入4G商用时代,2014年中国4G手机出货量占比超过20%,2015年全球4G手机销售9.67亿部,渗透率高达74.7%。
在早期的GSM手机中,射频器件的单部手机价值量不足1美金,而如今4G时代,苹果、三星的高端旗舰机型的射频器件单机价值量超过12.75美金,单机价值量在过去的十年间增长了数倍。
3G终端转换为4G终端带来单机价值量翻倍以上增长。
根据美国射频器件巨头Triquent的预测,进入4G时代,单部手机射频器件价值从3G终端的3.75美金提升至7.5美金,支持全球漫游的终端设备ASP甚至达到了12.75美金。
iPhone7Plus作为卖到全球的高端畅销机型,对射频器件的要求更高,单机价值量更大,射频器件及基带芯片合计单机价值达到33.9美元。
通过对iPhone6s拆机发现,射频器件主要供应商有Skyworks、Qorvo、TDK、安华高/博通等公司。
5G通讯将为射频器件行业带来新的增长机遇,一方面射频模块需要处理的频段数量大幅增加,另一方面高频段信号处理难度增加,系统对滤波器性能的要求也大幅提高。
2015年,全球移动终端射频器件市场规模约有110亿美金。
根据高通半导体的预测,移动终端的射频前端模块在2015-2020年间的复合增速在12%以上,到2020年市场规模将超过180亿美金。
2.35G时代的手机射频器件发展趋势:
高频化、高集成化5G将支持多模多连接,实现同时与多个无线网络进行连接。
要在单一终端上支持这么多的通信技术和这么多的频段,这对射频前端的设计提出了巨大的挑战。
首先,在高频段部分,比如在28GHz、32GHz毫米波上面的一些挑战就是,在这些频段上,信号的传输很容易受到阻碍或者损耗,它传输的距离会非常短,可能一个小小的物体或障碍就会阻碍信号的传输,那么就会失去连接。
所以在高频段上需要波束成形和波束追踪这样的技术才能够保持则连接,而要实现这一点我们需要一些“多天线”的技术,比如在设备侧需要16根天线,基站侧需要128根天线。
此外在高频高速的传输下,如何在终端侧还能保持非常好的功耗,这也是在高频段上的一个挑战。
对于6GHz以下的频段,比如:
3GHz、4GHz这样的频段来讲,在这些频段上的覆盖性要更好,但是同时在天线的使用上也比较多,比如在这个阶层的频段利用到大规模MIMO技术,可能在基站侧需要部署32根或64根天线,但是在终端侧就可以很大程度的减少,可能保持4根天线就可以了。
在这些频段上所面临的挑战要比毫米波小很多。
因为这些频谱是我们现在已经用了很久的,而且我们也知道如何在这些频谱上部署技术。
在终端侧,相关的元器件也比较成熟,所以在这个频段上的挑战比毫米波要小很多。
射频前端模块发展的总体趋势是,手机中FEM越来越重要,FEM在手机中所占的成本越来越高。
5G渐行渐近,射频系统也需要做出较大改变,手机通信协议从2G到5G的主要变化是信道带宽不断在变大,从2G时代的200KHz,3G时代的5MHz,到4G时代的100MHz。
5G时代,信道带宽需要进一步变宽,甚至可能接近1GHz。
为了实现越来越宽的带宽需求,可以有两种方法。
其一是使用更多的载波聚合技术。
载波聚合技术是指使用多个不相邻的载波频段,每个频段各承载一部分的带宽,这样总带宽就是多个载波带宽之和。
目前载波聚合技术在4G已经得到了广泛应用,例如如果要做4GLTEBand40(2350MHz)和Band41(2550MHz)的两路载波聚合,可以在Band40和41各使用18MHz带宽,这样总带宽就是36MHz。
在5G为了实现高带宽,载波聚合技术的路数必须上升。
这也意味着5G时代的频带数量也会上升以满足载波聚合的需求。
第二个提高带宽的方法就是把载波频率移动到毫米波范围(例如28GHz),而毫米波频段载波可以提供非常高的带宽。
毫米波频率的载波可望在5G时被引入。
对于FEM来说,目前的趋势是一个手机终端需要的FEM器件数量在快速上升。
首先,为了实现向后兼容,目前的4G手机上还是会需要2G-3G所需的FEM。
而4G时的频带数量大大增多,需要更多的FEM以覆盖这些频段。
另外,4G载波聚合需要收发机同时工作在多个频段,因此也需要多个FEM同时工作在不同频段。
到了5G时,需要覆盖的频带数预期会大大增加,载波聚合需要的路数也会上升不少,所以FEM器件数量在5G时还会继续快速上升。
以PA模组为例,4G多模多频终端单机所需的PA芯片增至5-7颗。
而且,随着通信制式的愈加复杂,对PA的性能需求也在逐渐攀升,从而PA在手机中站的成本也越来越高。
最后,5G的一个标志性技术是大规模MIMO。
大规模MIMO需要多个天线组成的天线阵列同时工作以提高信道容量,这样可以大大提升数据的传输率。
为了实现大规模MIMO,射频系统必须有多组天线同时工作,因此相应的FEM数量需求也会增加。
最后,为了能覆盖毫米波范围的载波,也需要相应的FEM,这也给FEM设计带来了挑战。
随着手机终端需要的FEM数量上升,FEM在手机成本的比重也越加上升,越来越多的厂商也在纷纷加大在FEM方面的投入。
例如,早些时候RFIC巨头高通和FEM大厂TDK合资成立了RF360,这样高通就有了能提供从基带ModemSoC,RFIC到FEM完整解决方案的能力。
因此,FEM的技术发展速度也会随着厂商的投入而加快。
目前FEM的技术发展方向主要包括如何使用新工艺以及如何增加集成度。
砷化镓一直以来都是功放,天线开关以及低噪声放大器等FEM的传统实现工艺。
然而,随着技术的发展,成本较低的RFSOI工艺在天线开关,低噪声放大器等模块中逐渐取代了砷化镓工艺。
在天线开关和天线调谐器中,RFMEMS也有机会进一步取代RFSOI成为新的主流。
对于滤波器和多路器来说,传统的SAW正在被BAW慢慢取代。
另一方面,FEM的集成度也越来越高。
当手机需要越来越多的FEM器件时,FEM必须增加集成度以把整个射频系统的实际尺寸控制在合适的范围内。
目前,已经有一些厂商在研发把低噪声放大器和开关模组集成在一起的方案,例如Skyworks的SkyOne模组(集成了PA,开关,多路器在同一模组上)。
未来随着RFSOI和RFMEMS工艺的进一步普及,FEM将向更高的集成度方向发展。
3、5G手机-阵列天线横空出世3.1大规模MIMO是5G核心技术通信系统将面向5G演进,通信系统从人与人、人与机器的连接,进一步扩展到机器与机器的连接,到万物互连。
实现一个全连接的数字世界需要通信系统能提供大数据、大流量的信息洪流的管道。
MassiveMIMO也是LTE演进和5G公认的关键技术之一,该技术可大幅提升频谱效率,帮助运营商最大限度利用已有站址和频谱资源,显著改善无线网络的覆盖和容量。
MassiveMIMO采用有源天线阵列技术,结合创新的导频信号设计和用户信道高精度估计算法,能够形成极精确的用户级超窄波束,将能量定向投放到用户位置,可以显著改善网络的覆盖能力,降低无线网络能耗,特别是在中高频段组网的情况下尤为明显。
MassiveMIMO天线是MassiveMIMO技术实现的关键技术。
MassiveMIMO天线相对于传统基站天线或者传统一体化有源天线,其形态差异为阵列数量非常大、单元具备独立收发能力。
相当于更多天线单元(128根、256根或者更多)实现同时收发数据。
低频MassiveMIMO天线用于广覆盖和深度覆盖,作为基础容量层,提供基本的用户体验速率。
高频MassiveMIMO天线用于热点地区、室内容量和无线回传。
高低频混合组网,实现最佳频谱利用。
在5G通讯中,SDMA是大规模MIMO(massiveMultiple-InputMultiple-Output,指在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列,使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收,从而改善通信质量)技术应用的一个重要例子,而将无线信号(电磁波)只按特定方向传播的技术叫做波束成形(beamforming)。
有了波束成形,众多用户就可以同时在同一个地方上网而不用担心信号干扰的问题。
普通的天线的辐射方向图方向性很弱(即每个方向的辐射强度都差不多,类似电灯泡),而最基本的形成波束的方法则是使用辐射方向性很强的天线(即瞄准一个方向辐射,类似手电筒)。
实用的波束成形方案使用的是智能天线阵列。
智能天线阵列原理并不复杂。
当由两个波源产生的两列波互相干涉时,有的方向两列波互相增强,而有的方向两列波正好抵消。
在波束成形中,我们有许多个波源(即天线阵列),通过仔细控制波源发射的波之间的相对延时和幅度我们可以做到电磁波辐射的能量都集中在一个方向上(即接收机所在的位置),而在其他地方电磁波辐射能量很小(即减少了对其他接收机的干扰)。
此外天线辐射的方向可以通过改变波源之间的相对延时和幅度来实现,可以轻松跟踪发射端和接收端之间相对位置的改变。
MassiveMIMO天线大阵列形态,可实现扇区更密集劈裂(垂直、水平或二维面混合劈裂等)、同频多波束覆盖、3D-beamforming等特性。
这些特性实现对天线波束赋型、干扰抑制以及指向精度要求相比传统天馈系统要求更高。
3.25G基站和终端的通讯:
采用毫米波相控阵天线体制5G网络是一个密集分布基站网络,基站分布密度比前几代移动系统都高。
其中,基站移动终端之间采用28Ghz的毫米波频段通讯。
基站天线系统采用相控阵天线体制。
波束在垂直和水平两个方向交叉极化,以实现更高的用户密度和增加系统用户容量。
5G终端设备具备自选基站能力,可以根据基站误码率挑选误码率低的基站和信道通讯。
实现以上这些功能,依赖阵列天线技术,基站和终端都用到了毫米波相控阵天线。
终端中天线阵列为nXn点阵。
5G天线是垂直与水平天线交互的点阵,这种垂直和水平交互的天线,对应垂直和水平两个极化方向的信号收发。
3.3手机天线-5G时代将出现重大技术变革4G的天线一般布置在手机上下端部和侧面,采用了LDS(立体电路的一种制造工艺,激光在3D曲面塑胶上选择性沉积金属工艺)和FPC(柔性线路板)配合侧面金属边框来
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