Die ersten 5G-Implementierungen begannen Ende 2019, und seitdem haben RF-Front-End (RFFE)-Designs in Bezug auf eine höhere Integration und Unterstützung für den Multimode-Betrieb von 5G- bis 2G-Funkgeräten einen langen Weg zurückgelegt.
Zum Beispiel unterstützen Datenwandler in diesen RFFEs jetzt die Kanalbandbreiten, die in Millimeterwellen (mmWave)-Bändern verfügbar sind. Dies wiederum wird die Türen für die Verallgemeinerung von HF-Architekturen öffnen und möglicherweise die Komplexität der HF-Schaltung reduzieren, indem die Digital-Analog-Trennung näher an die Antenne rückt.
RFFEs werden auch als Frontend-Module bezeichnet. Diese Teile verwenden intelligente Partitionierungsarchitekturen, um Hochgeschwindigkeitsverstärker, Empfangs-Analog-Digital-Wandler und Digital-Analog-Wandler für den Sendepfad zusammen mit immer kleiner werdenden Hochfrequenzfilterdesigns zu integrieren. Integration ist das A und O bei 5G-Funkdesigns, da diskrete HF-Lösungen nicht mehr ausreichen.
Nehmen Sie die RFFE-Designs von Qualcomm, die mehrere RF-Komponenten zwischen Modem und Antenne integrieren. Diese Modem-zu-Antenne-Lösungen vereinen Modem, HF-Transceiver, HF-Front-End-Komponenten und Antennenmodule und ermöglichen so mobilen OEMs eine schnelle Kommerzialisierung von Geräten mit Unterstützung für neue Frequenzbänder wie n53, n70 und n259 im 41- GHz-Band.
Eines der neuesten Beispiele ist das Snapdragon X65 5G Modem-RF-System, Qualcomms 5G-Modem-zu-Antenne-Lösung der vierten Generation. Der Snapdragon X65 unterstützt Spektrum-Aggregation von bis zu 1 GHz im mmWave-Spektrum und 300 MHz im Sub-6-GHz-Spektrum.
Das X65 ist eine 5G-Modem-zu-Antenne-Lösung der vierten Generation, die über Antennen-Tuning- und Spektrum-Aggregation-Funktionen verfügt. (Quelle: Qualcomm)
Dann gibt es ADR554x HF-Frontends für massive MIMO (M-MIMO)-Funkgeräte von Analog Devices Inc. Diese RFFEs erhöhen die Anzahl der gleichzeitigen Transceiver-Kanäle, die in mehreren Bändern arbeiten, enorm und bringen gleichzeitig die gesamte erforderliche Hardware in einen kleineren Formfaktor.
Die HF-Frontends der ADR554x-Familie umfassen einen Hochleistungsschalter im Siliziumprozess und einen rauscharmen Hochleistungsverstärker im GaAs-Prozess. Diese HF-Frontends, die Mobilfunkbänder von 1.8 GHz bis 5.3 GHz abdecken, sind optimal auf M-MIMO-Antennenschnittstellen ausgelegt.
Infolgedessen sehen wir mit einer höheren Anzahl von Antennen und Bändern, die unterstützt werden müssen, und einer großen Anzahl von Komponenten, die für eine ausreichende Abdeckung erforderlich sind, eine beispiellose Komplexität im HF-Bereich. Die zunehmende Komplexität von 5G-Funkgeräten begrenzte daher zu Beginn die Anzahl der Hersteller mit dem Know-how, solche komplexen HF-Subsysteme zu entwickeln. Mit zunehmender Reife von 5G-Designs stellen sich jedoch mehr Anbieter der RFFE-Herausforderung.
Herausforderungen beim HF-Frontend-Design
Das HF-Design stellt eine große Chance in 5G-Netzen dar, da eine Vielzahl von Basisstationen in Mini-, Mikro-, Piko- und Femtozellenumgebungen sowie neue Endgeräte für das Internet der Dinge und die Industrie eingesetzt werden IoT-Anwendungen. Dies wird wahrscheinlich zu einem massiven Wachstum vernetzter Geräte für sehr unterschiedliche Anwendungsfälle und Anforderungen führen.
Spektrale Effizienz und Wiederverwendung, höhere Geschwindigkeiten und geringere Latenzzeiten sind wichtige Überlegungen für RFFE-Designs, um diesem massiven Anstieg der drahtlosen Datenverkehrskapazität gerecht zu werden. In erster Linie ist die spektrale Effizienz von entscheidender Bedeutung, da mmWave-Frequenzen, das Spektrum oberhalb von 6 GHz, für eine umfassende Bandbreitenverfügbarkeit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben.
Die Übertragung im mmWave-Band stellt jedoch im Außenbereich die größte Herausforderung dar, und die Aufgabe eines RFFE-Designs besteht darin, hohe Pfadverluste, hohe Sauerstoff- und H .-Werte zu verbessern2O Absorption, Verluste durch das Laub und Verblassen durch Regen. Daher verwenden HF-Designer Beamforming- und Beam-Tracking-Technologien, um ungünstige Kanaleigenschaften in der mmWave-Frequenz zu überwinden.
Zweitens ist die Geschwindigkeit bei RFFE-Designs von entscheidender Bedeutung, da 5G-Funkarchitekturen mit viel höheren Datenraten arbeiten als frühere 2G-, 3G- und 4G-Systeme. Die aktuellen 5G-Systeme sind 10x schneller als 4G-LTE-Funkgeräte.
Drittens ist die Latenz das neue Element, zusammen mit einem schnelleren Zugriff in 5G-Designs. Es ist in 5G-RFFEs weitaus wichtiger als in früheren 3G- und 4G-Versionen. 5G hat eine minimale Latenz von 1 ms oder weniger. Andererseits beträgt die Latenz in 4G-Systemen 50 ms bis 98 ms, in 3G-Systemen 212 ms und in 2G-Systemen satte 629 ms. Die neuen 5G-Dienste verwenden jetzt die äußerst zuverlässige Kommunikationsfunktion mit niedriger Latenz, um latenzbezogene Probleme zu bewältigen.
Hochintegrierte RFFE-Lösungen wie das Qualcomm X55 5G Modem-RF-System, die jede Kombination von Frequenzbändern und Modi unterstützen, ermöglichen es Ingenieuren, sich auf das Industriedesign und die Benutzeroberfläche zu konzentrieren und so bessere Produkte in kürzerer Zeit und zu geringeren Kosten zu liefern. (Quelle: Qualcomm)
Die Zusammenfassung der RFFE-Probleme in 5G-Designs zeigt die disruptive Natur von RF-Technologien. Insbesondere, wenn die HF-Abtastung näher an die Antenne heranrückt, was wiederum die Funkformfaktoren vereinfacht und schrumpft und höhere Integrationsgrade ermöglicht. Also dabei Technologie Was unternimmt die Branche am Scheideweg, um ein höheres Maß an Integration zu ermöglichen und gleichzeitig die Designkomplexität unter Kontrolle zu halten? Der folgende Abschnitt wirft einen genaueren Blick auf eine Initiative der HF-Branche.
OpenRF-Konsortium
Die kürzlich gegründete Open RF Association (OpenRF) zielt darauf ab, funktionale Interoperabilität von Hardware und Software über Multimode-RF-Frontends in 5G-Designs zu schaffen. Dieses offene Framework wird Hardware- und Softwareschnittstellen standardisieren und gleichzeitig Designinnovationen unter den Anbietern von HF-Lösungen ermöglichen. Zu den Gründungsmitgliedern des Konsortiums gehören Broadcom, Intel, MediaTek, Murata, Qorvo und Samsung.
Laut Joe Madden, Principal Analyst bei Mobile Experts, benötigt die Mobilfunkbranche zunehmend Struktur, um mit der Komplexität umzugehen, die heute ein Markenzeichen von HF-Frontend-Designs ist. „OpenRF wird Bausteine in nicht wettbewerbsorientierten Bereichen standardisieren und es RFFE-Anbietern somit ermöglichen, ihre Bemühungen auf den entscheidenden Punkt der Innovation zu konzentrieren“, sagte er.
Es ist erwähnenswert, dass die MIPI RFFE-Spezifikation, die die Steuerschnittstelle des RF-Frontends definiert, innerhalb der RFFE-Arbeitsgruppe der MIPI Alliance weiter entwickelt wird. Darüber hinaus arbeitet OpenRF derzeit an einem Verbindungsabkommen mit der MIPI Alliance.
Der obige Überblick über die Herausforderungen, Lösungen und Brancheninitiativen für das HF-Frontend-Design für 5G-Handset- und Infrastrukturanwendungen ist ein Beweis für einen Hyperintegrationsantrieb, der die RFFE-Modularisierung der Realität immer näher bringt. Während HF-Front-Ends Verpackungskomponenten sind, die für das Routing, Filtern und Verstärken von Signalen zu und von den Antennen unerlässlich sind, wirken sich diese hochintegrierten Designs jedoch direkt auf den Stromverbrauch des Geräts aus. Das ist entscheidend bei 5G-Gerätedesigns, die eine ganztägige Akkulaufzeit bieten.
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