本文來自格隆匯專欄：半導體行業觀察

在我們關於早期 5G 智能手機硬件設計的後續系列中，我們現在將注意力轉向核心電子設備的 5G 射頻前端 (RFFE) 部分。迄今爲止，在 IHS Markit 採樣的 6 家擁有 5G 智能手機的 OEM 中，其中 5 家在 RFFE 部分具有共同的設計主題；高通提供的完整5G RFFE解決方案。對 Qualcomm 的這種信任投票不僅表明他們作爲調制解調器主要供應商的關鍵作用，而且表明他們在將行業首創的調制解調器到天線解決方案推向市場、擊敗現有 RFFE 組件供應商和破壞 RFFE 方面不斷增長的專業知識5G市場。

• 大多數早期 5G 智能手機設計被發現使用高通調制解調器和 RFFE 組件

• 高通目前爲智能手機提供業界唯一的商用毫米波 5G 調制解調器到天線設計

• 5G RFFE 組件成本佔整體 RFFE 的很大一部分，其中毫米波推動了最顯着的增長

• 採用經過驗證的商用調制解調器和 RFFE 解決方案使 OEM 能夠更有效地將開發工作集中在整體電話設計上

• 憑藉其先發優勢，高通有望在 5G 智能手機中佔據更大比例的半導體支出。

在我們關於早期 5G 智能手機硬件設計的後續系列中，我們現在將注意力轉向核心電子設備的 5G 射頻前端 (RFFE) 部分。迄今爲止，在 IHS Markit 採樣的 6 家擁有 5G 智能手機的 OEM 中，其中 5 家在 RFFE 部分具有共同的設計主題；高通提供的完整5G RFFE解決方案。對 Qualcomm 的信任投票不僅表明他們作爲調制解調器主要供應商的關鍵作用，而且表明他們在將行業首創的調制解調器到天線解決方案推向市場方面不斷增長的專業知識，擊敗了現有的 RFFE 組件供應商[1]和擾亂 5G 中的 RFFE 市場。

與之前智能手機落後於網絡部署的 4G 過渡不同，5G 智能手機在 5G 網絡發佈的第一天就已經可用。此外，智能手機是展示 5G 功能的主要設備。迄今爲止，IHS Markit 已經從六家原始設備製造商那裏抽取了七款獨特的 5G 智能手機設計。早期 5G 設備羣體中 OEM 品牌的數量和多樣性是前所未有的，尤其是考慮到爲新的 5G 網絡設計的 RF 挑戰。從歷史上看，只有技術能力更強的 OEM 才能率先推出新一代無線手機，但在這裏，我們也有非傳統或更小的 OEM，例如小米、Oppo 和一加；十年前，在 4G 過渡期間，行業不爲人知的品牌。

適應5G新頻譜

早期的 5G 網絡屬於“非獨立”類型[2]，這表明 5G 無線連接需要錨定 LTE 信號。這一要求對 RFFE 設計意味着 LTE 和 5G 將有兩個不同的 RF 路徑。這一要求將給當前的智能手機 RFFE 設計帶來壓力，這些設計由於 LTE-A [3]特性（例如載波聚合和多頻段支持）而已經很複雜。在本白皮書中，我們將探討這五款 Qualcomm 設計的 5G 智能手機的拆解結果，比較相似之處、相對物料清單 (BOM) 成本並指出獨特的設計元素。

新網絡中 5G 頻譜的實施在不斷髮展的 RFFE 設計中具有重要意義。通過開放更大範圍的頻譜，5G 將提供更高的容量和速度。然而，爲了支持那些更寬的帶寬，必須相應地重新設計 RFFE 以支持所使用的頻率。由於 6GHz 以下的 5G 頻率與現有的 LTE RFFE 信號類似，因此挑戰較小。該 5G 頻率範圍 (FR1) 通俗地稱爲“Sub-6GHz”。FR1 信號傳播特性與現有高頻段 LTE 的行爲方式相同，但具有更寬的載波帶寬（100-200MHz 與 LTE 中的 5-20MHz 相比）。

另一種更具挑戰性的頻譜範圍 (FR2) 通常稱爲毫米波 (mmWave) 5G。由於其有限的信號傳播和高衰減，FR2 頻譜之前並未在移動電話應用中使用。然而，最大的開放頻譜位於從 24GHz 到大約 90GHz 的頻率範圍內。爲了克服毫米波的傳統侷限性，應用無線電技術中的特殊技術來擴展 FR2 的可用覆蓋範圍。聚焦波束成形和波束跟蹤等射頻技術部署在 5G 網絡的邊緣，以開放數百兆赫的帶寬，使它們可供移動用戶使用。

拆解結果

LG 是今年 2 月在巴塞羅那 MWC 上宣佈推出 5G 智能手機的衆多原始設備製造商之一。V50 ThinQ 5G 是一款低於 6GHz 的 5G 智能手機，最初是爲美國運營商 Sprint [1] 設計的，後來重新用於部署低於 6GHz 的其他全球運營商（通常在 N77/78 @ 3.5GHz 頻段）。

LG V50-拆解

LG 採用第一代高通 X50 5G 設計，包括一個分立的 5G 收發器（SDR8154）和一對 RFFE 模塊、QPM5650 發射模塊和 QDM5650 分集接收模塊，以支持單頻段 N77/78 sub-6GHz 5G 網絡。正如我們將在隨後的拆解結果中看到的那樣，這種第一代設計已被其他三個 OEM 採用相同的射頻配置.

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除了 RFFE 之外，第一代 5G 智能手機的一個設計挑戰是找到足夠的 PCB 表面來安裝額外的 5G 組件。此處，Qualcomm X50 調制解調器位於 PCB 的頂部，與 Snapdragon 855 SoC 相鄰，而其餘的 RFFE 組件則安裝在 PCB 的底部。LG 選擇將所有 5G 組件安裝在一個主 PCB 上，而不是採用模塊化（即堆疊式 PCB）設計，這種設計可以交換以創建同一部手機的純 LTE 或替代 5G 版本。因此，LG V50 ThinQ本質上是一款圍繞高通架構設計的專用5G智能手機。

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Oppo Reno 5G 拆解

爲了適應新的相機功能，Reno 已在更大的底盤上開發，從而能夠使用更大的全屏顯示器和更大的內部電池。

物理設計的這種增長爲將 5G 組件放置到手機中創造了額外的空間。

這種策略允許 Oppo 營銷和銷售其旗艦智能手機的兩個不同版本，其設計基本相同。

當然，通用平臺設計有助於製造規模和組件採購。

這是尋求降低供應鏈複雜性的競爭性原始設備製造商之間的流行策略。

在 Oppo Reno 5G 中，模塊化射頻板用於根據全球不同地區和市場交換 [和] 交換射頻組件。這種方法使 Oppo 不必過度投資特定市場不需要的射頻組件。這裏再次使用高通 X50 調制解調器、SDR8154 收發器和一對 RFFE 模塊（QDM5650 和 QPM5650）來完成 5G 調制解調器到天線的設計。由於這款 Oppo Reno 5G 是在歐洲購買的，因此 RFFE 支持大多數早期歐洲 5G 網絡部署使用的單一公共頻率 (N78)。

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小米 Mi Mix 3 5G 

就像之前討論的 Oppo Reno 一樣，Mi Mix 3 5G 的設計具有高度可配置性，以便服務於不同的全球市場。小米利用現有的 Mi Mix 3 設計平臺創建了 5G 版本。小米之所以採用這種設計方式，是因爲不僅有助於更快獲得 5G 市場，而且有助於整體設備 SKU 管理。

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小米採用完全模塊化的調制解調器到天線 5G 設計（而 Oppo 使用模塊化 RFFE 設計），非常適合將 5G 功能快速添加到市場驗證的設計中。上面的 5G PCB 組件包含完整的 X50 調制解調器、SDR8154 收發器、QPM5650 前端和 QDM5650 分集模塊。Mi Mix 3 5G 主板中還有未填充的芯片着陸墊。對於具有 2 個不同的 Sub-6GHz 5G 頻率的市場（中國國內市場就是這種情況），這可能是設計考慮因素。此處採樣的模型是爲使用主要頻段 N77/78 的歐洲市場設計的。

小米 BOM

OnePlus 7 Pro 5G

與 LG V50 5G 設計一樣，所有高通 5G 組件都安裝在一個通用的主 PCB 上。然而，與 LG V50 不同的是，一加 7Pro 並不是專門打造的 5G 智能手機平臺。OnePlus 利用其 OnePlus 7 Pro 平臺添加 5G 功能——採用與 Oppo 和小米相同的策略。通過重用現有設計，OnePlus 能夠將大部分純 LTE 設計留在原處（降低成本）。然而，爲了適應 5G 組件，OnePlus 選擇旋轉新的 PCB 設計，而不是走之前描述的 Oppo 和小米使用的模塊化路線

OnePlus 具有形狀奇特的主 PCB。這樣做的原因是爲了創造容納鉸接式前置攝像頭所需的空間。自拍相機在需要時彈出，在不保留不間斷全屏設計時縮回手機。對於一加來說，在這個 5G 設計中唯一的妥協就是在 LTE-only 版本和 5G 版本之間創建一個完全不同的主 PCB 設計。雖然這種策略增加了製造的複雜性，但鑑於彈出式自拍相機所需的空間，這樣做是爲了儘可能降低手機厚度。OnePlus 7 Pro 是在英國 EE 網絡上提供的獨家 5G 智能手機，並在 5G 頻段 N78 上運行。

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Galaxy S10+ 5G 

是市場上爲數不多的毫米波 5G 設備之一。與 Oppo、小米或 OnePlus 不同，三星是在更大版本的 Galaxy S10 系列旗艦手機上開發的。因此，與其他中國 OEM 廠商相比，這款專門打造的 5G 智能手機平臺更類似於 LG V50 5G。三星 Galaxy S10+ 5G 有兩個不同的版本。一個用於 Sub-6GHz 5G（國際市場），另一個用於美國 Verizon 獨有的毫米波 5G 網絡。我們將討論的模型是毫米波版本。

三星工程師爲三個 Qualcomm QTM052 毫米波天線模塊創建了三個內腔，這些天線模塊安裝在後蓋正下方，以實現最佳射頻接收。 

毫米波天線模塊需要高度集成，以減少射頻組件之間的距離（和信號損失）。該模塊包括一系列四個相控陣天線[1]，與電源管理 IC (PMIC) 和收發器一起封裝在天線堆棧下方。在毫米波通信體制內，5G RFFE 的信號預算至關重要。選擇使用高通解決方案而不是他們自己的射頻解決方案證明瞭高通在毫米波 5G 技術方面的早期技術領先地位。擁有完整的調制解調器到天線解決方案對於確保 5G 無線電針對信號接收和低功耗進行優化也至關重要。

對冗餘毫米波天線模塊的需求顯然會增加毫米波 5G 手機的 BOM 成本。隨着時間的推移，隨着毫米波 5G 天線模塊供應鏈規模的擴大，天線模塊和其他 5G 射頻組件的價格將下降。然而，第一代 5G RFFE 將比現有 LTE RFFE 解決方案具有顯着的成本溢價，這是一個明確無誤的事實。以至於在這個第一代示例中，毫米波組件的成本遠遠超過多頻段 LTE RFFE 的成本。

上圖總結了在本文分析的五款第一代 5G 手機中添加 5G RFFE 的成本溢價。請注意，此選擇性 BOM 成本分析不包括 5G 基帶的成本。LTE 和 5G RFFE 成本比較僅使用從 RF 收發器到天線的組件。

拆解數據顯示，Sub-6GHz 5G RFFE 的成本溢價約爲現有 LTE RFFE 成本的一半。而毫米波解決方案（以三星設備爲例）的成本是現有 LTE RFFE 的兩倍。我們必須提醒的是，這些早期結果預計會很高，因爲第一代設計總是帶有成本溢價。正如十年前的早期 LTE 設計一樣，後續幾代 5G 手機設計應該會降低 5G RFFE 的成本溢價。在成熟的 5G 設計中，5G RFFE 有望被吸收到集成的 5G/4G/3G RFFE 設計中。這張成本溢價圖表突出了 5G RFFE 的重要性，可以用來論證在組件成本方面，5G RFFE 與調制解調器芯片組一樣重要的觀點。

5G 智能手機設計仍處於早期階段，RFFE 組件行業無疑即將發生更大的變化。我們期待潛在的技術突破和未來的先進能力。

調制解調器到天線設計在5G中的重要性

正如之前的白皮書所討論的那樣，5G 時代爲核心電子供應商帶來了新的挑戰。具體來說，調制解調器能力不再是能力的標準衡量標準，而是整個調制解調器到天線設計被視爲 5G 組件產品的新標準。高通清楚地抓住了這種完整 5G RFFE 產品的新設計範式的先發優勢，但現有的 RFFE 供應商並沒有坐視這種市場中斷。隨着 5G 智能手機的成熟，現有的組件製造商通過提供更完整的 RFFE 解決方案做出迴應，預計 RFFE 組件市場將會升溫。對於智能手機制造，最終歸結爲成本與性能的平衡行爲。

拆解分析中連接所有五款 5G 智能手機的共同點是，它們都使用具有高通 X50 平臺的第一代設計。更重要的是，在每個示例中都使用了完整的 Qualcomm 調制解調器到天線解決方案——無論它是低於 6GHz 還是毫米波 RFFE。高通在第一輪 5G 手機中獲得更高的智能手機組件份額這一事實告訴我們：

• 預烘焙 5G 解決方案可幫助 OEM 更快地進入市場。

• 完整的調制解調器到天線解決方案可節省開發成本並降低早期 5G 設計的風險（就像在 4G LTE 中所做的那樣）

• 擁有從調制解調器到天線的單一組件供應商還有其他好處，例如優化射頻鏈上下遊的功耗

• 隨着 RFFE 複雜性的增加，OEM 的理想設計和供應商選擇

• 很少有競爭力的 5G 組件供應商推動 Qualcomm 完整的調制解調器到天線解決方案的早期勝利

在第二代5G RFFE設計中可以期待什麼

進入 2020 年的新設計週期，預計第二代 5G 解決方案將在 4G LTE 和 5G NR 之間實現更緊密的組件集成。此外，我們將開始看到在同一個 RFFE 中結合了 Sub-6GH 和毫米波的 5G 設備。這些設計將實現更好的芯片級集成、4G 和 5G RFFE 的融合並降低總體成本。第二代 5G 設計被定義爲支持多模 5G/4G/3G/2G 的調制解調器（單芯片調制解調器）功能和處理 LTE 和 5G 的融合單射頻收發器以及融合 RFFE 設計。多個基於高通 X55 第二代 5G 平臺的 5G 設計即將發佈，使 OEM 廠商能夠在調制解調器和 RFFE 的組件集成和成本優化方面取得更大的進步。其他已宣佈多模 5G/4G/3G/2G 設計的商用調制解調器供應商包括 Mediatek 和 UniSoC，但是，迄今爲止，這些仍然主要是僅調制解調器的預生產解決方案，沒有配套的 5G RFFE 設計。海思（華爲）和 Exynos（三星）等專屬供應商可能會提供更新一代的 5G 設計，但同樣不是完整的調制解調器到天線解決方案。

毫米波 5G 的射頻設計挑戰仍將存在於第二代 5G 手機中。毫米波衰減繼續爲移動 RFFE 設計帶來問題。全球前三大 OEM [三星、華爲和蘋果（英特爾收購）] 擁有一些毫米波功能，但它們都以可行的解決方案落後於高通進入市場。至於高通的毫米波技術演進，該組件製造商正在準備更小的天線模塊設計，通過允許更輕鬆地放置毫米波天線模塊，這將更好地幫助適應智能手機工業設計。

隨着行業在未來幾年經歷 5G 轉型，預計 RFFE 格局將發生重大變化。大型 OEM 可能會嘗試擺脫單一供應商的調制解調器到天線解決方案，以保留多源功能，但完整解決方案的優勢不容忽視，尤其是對於有志於擴大市場地位的競爭性 OEM 而言與 5G 技術。

結論

每一次新技術轉型都會帶來市場顛覆的機會。雖然 RF 前端市場有幾家現有廠商在特定 RFFE 利基組件（即用於 BAW 濾波器的 Avago/Broadcom、用於 Qorvo 的 PAMiD 和用於 Murata 的濾波器/天線）的同類最佳供應商，但沒有現有供應商從調制解調器組裝完整的解決方案到收發器到 RFFE 和天線直到現在。高通進軍 RFFE 市場顯然就是針對這個新機遇。這一戰略的成功取決於許多因素，其中最不重要的是 5G 的採用、RFFE 解決方案的成本以及現有參與者的競爭力。然而，對於第一輪 5G，高通似乎憑藉其調制解調器到天線的產品贏得了勝利。