工程師們正競相推出首批支援5G網路的智慧型手機,主要針對6GHz以下(sub 6GHz)頻段。然而,針對第一批裝置中是否可能會有一些支援毫米波(millimeter-wave;mmWave)頻段的手機到位,業界射頻(RF)專家們的看法分歧。

各方都同意這些5G手機面對的是一個頻段零散化的市場——各家營運商支持的頻段範圍從600MHz至28GHz都有,其中還有些保留了其頻譜計劃細節。因此,要為5G領域的新手機實現最佳化,可能還需要幾年的時間。

5G手機頻段零散化

相較於去年的LTE手機機型,第一代的5G手機可能是針對特定區域推出的尺寸較大或是電池壽命較短的裝置。其價格也可能僅微幅增加,但維持與估計將僅為RF前端元件增加10-30%的物料清單(BoM)幅度一致。

雖然過渡至LTE時也面臨類似的問題,但並未達到像5G這樣的規模,因為這是第一個支援28GHz及其以上頻段的蜂巢式標準。此外,雖然許多國家規劃5G將在3.5GHz頻段內支援100MHz頻寬,但美國的3.5GHz頻段最快要到明年才可行,而且美國的頻譜預計採用更小的頻寬。

在美國,由於缺乏可用於5G的新頻譜,T-Mobile將推出600MHz頻段的網路,而Sprint將使用2.5GHz。Verizon的一位代表則證實該公司將在明年為智慧型手機導入mmWave頻段。

這些變化的速度和廣度正將設計智慧型手機的技術提升到新的高度。

博通(Broadcom)無線半導體部門首席技術策略師William Mueller說:「每個人都希望在5G中領先,所以爭相在標準的『數字』底定之前設計硬體,這真的讓人感到頭痛……整體而言,2019年可能會先看到一些採取權宜之計的低整合度手機。」

Qorvo技術營銷總監Ben Thomas指出,問題就在於營運商急於從5G標準中回收頻譜效率。他說,「OEM面臨比採用LTE時更巨大的壓力,」他回想起三星(Samsung)如何為其首款LTE手機推出額外的電池。

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對mmWave手機進展看法紛歧

美國紐約大學(New York University)教授兼資深無線研究員Ted Rappaport最看好毫米波手機。「我預期在今年聖誕節期間就可以看到多家供應商推出的手機,」他並指出英特爾(Intel)和高通(Qualcomm)在今年4月舉辦的活動中即已報告了該技術的進展。

Rappaport介紹他和同事在他創立的紐約大學無線中心(NYU Wireless Center)在多年來所進行的研究。他補充說,在限制空間中使用更多天線可提供更大的增益,從而補償路徑損耗;而它所帶來的更高資料速率可以彌補更高的功耗。

他說,毫米波技術「面臨很多挑戰,而且需要大量的專業知識。目前它正迎頭趕上,但還需要幾年的時間才能實現……過去10年來我們一直在使用WiGig,但很少有人同樣使用。」

挑戰包括為毫米波打造適合的新型濾波器、功率放大器與移相器,以及組合來自多個天線的訊號,以形成和指向定向波束。此外,無線模組設計公司Insight SiP技術長Chris Barratt說,手機需要將天線放置在遠離金屬電路板的位置,並處理阻礙訊號。

相較於sub 6GHz的類似手機頻段,Barratt表示,「高頻段則是另一種不同的競賽…我認為它最終會實現,但至少要再過幾年的時間。」Barratt曾經參與多項60GHz設計。

高通在今年7月宣佈解決了手機模組中的問題,目前正針對20~40GHz網路出樣。一位分析師預測,這些模組有助於中國新興的手機製造商搶在蘋果(Apple)、三星(Samsung)和華為(Huawei)等公司之前推出產品。

RF競爭對手博通、Qorvo和Skyworks也對此表達了懷疑態度。但這三家sub 6GHz RF晶片供應商目前都還沒有規劃mmWave產品藍圖。同時,新創公司Movandi則表示該公司正試圖將其用於基地台的mmWave技術發展到手機領域。

營運商及其供應商貿易集團5G Americas總裁Chris Pearson則採取了中間立場。他說:「新的頻率始終存在挑戰,但這些都是創新的公司,而且以前都增加了新的頻段。」

漫長而曲折的發展藍圖

鑑於技術、商業和上市時間的挑戰,Qorvo的Thomas說:「我們要到2021年以後才會看到真正最佳化的5G旗艦手機,而中階的5G手機也將會在那之後出現……RF設計方面的複雜度還需要多年的時間才能克服。」

針對各不同區域的零散頻段量身打造的設計「意味著手機中的元件利用率降低」,他說:「當設計者為了因應增加的晶片內容而進行基本調整時,」將會引發一些問題。

最終,「我們將會看在RF前端看到相當劇烈的轉變。」他並預測在幾乎倍增的頻率範圍內出現更多的天線調諧。

Thomas還預期會出現更多級的更高品質濾波器。此外,多工器將取代更簡單的交換機,以支援更複雜的載波聚合(CA)方案。他說:「我們已經看到多達6個頻段的組合以及同步使用。」

預計當2021年塵埃落定時,新的標準RF模組可能會出現在3.5GHz頻段等區域。Qorvo已經與合作夥伴和競爭對手(包括Skyworks)針對該模組交換意見了。

Broadcom的Mueller表示,5G設計可能演變為兩個模組。他表示,這種模組的分離設計將支援天線的多樣性,並減輕非獨立(non-SA)架構下來自LTE和5G同步傳輸的干擾。

「最棘手的部份是功率效率,」紐約大學的Rappaport說。「它還需要幾代的設計演進,才能找到我們在mmWave頻段時所需的技巧。」

最後,毫無疑問地,5G手機將在未來幾個月內開始出現。例如,Sprint已宣佈LG電子(LG Electronics)將在明年6月之前為其提供5G智慧型手機。但是,這些手機是否可以使用mmWave頻率以及它們如何升級其RF設計仍有待觀察。

編譯:Susan Hong

(參考原文:5G Handsets Spark mmWave Debate,by Rick Merritt)