拆解使用高通5G方案的第一代5G手机，他们都有怎样的同与不同。
文︱Wayne Lam
译︱TechSugar编辑部
图︱网络
概述：
- 早期的5G智能手机设计大多使用高通调制解调器和射频前端（RFFE）组件。
- 高通目前为智能手机提供业界唯一商用的毫米波5G调制解调器到天线（modem-to-antenna）的设计方案。
- 5G RFFE组件成本占整个RFFE很大一部分，mmWave驱动的RFFE增长最为显著。
- 采用成熟的商用调制解调器和RFFE解决方案，原始设备制造商（OEM）将开发工作集中于手机的整体设计上。
- 凭借其先发优势，高通有望在5G智能手机的半导体支出中占据更大份额。
目前，IHS Markit已抽样调查了6家拥有5G智能手机的OEM厂商，其中5家厂商在RFFE部分采用了同种方案——由高通提供的完整的5G RFFE解决方案。这不仅体现了高通作为调制解调器主要供应商的重要地位，也说明了高通在将行业领先的调制解调器到天线解决方案推向市场方面愈加专业。高通击败了现有的RFFE组件供应商，并且颠覆了5G领域的RFFE市场。
与之前向4G过渡时，智能手机落后于网络部署的情况不同，5G智能手机在5G网络发布的第一天就可以使用。并且，智能手机是展示5G功能的主要设备。IHS Markit从6家OEM厂商那里取样了7款独特的5G智能手机。早期5G设备中OEM厂商品牌的多样性是前所未有的，这为射频技术提出了挑战。以前，只有技术能力更强的OEM厂商才会率先推出新一代无线手机，然而现如今的5G时代，我们也看到了那些新型的或规模较小的OEM厂商，如小米、Oppo和OnePlus——10年前4G转型期间，它们大都还不出名。
适应5G新频谱
早期的5G网络是 “非独立”的，这意味着5G无线连接需要一个锚定LTE信号。对于RFFE的设计来说，LTE和5G将有两种不同的RF路径。由于LTE-A的功能（例如载波聚合和多频段支持）已使RFFE的设计变得很复杂，这一需求将给目前的智能手机RFFE设计提出更大的挑战。在这篇文章中，我们将分析5款智能手机的拆卸结果，比较它们的相似之处以及各自独特的设计。
在新网络中实现5G频谱对RFFE的设计具有重要意义。通过扩大频谱范围，5G将提供更大的容量和更高的速度。然而，为了支持这些更宽的带宽，必须相应地重新设计RFFE以支持所使用的频率。Sub-6GHz 5G频率由于其类似于现有的LTE RFFE信号，所以挑战性不大。
该5G频段（FR1）通常被称为“Sub-6GHz”。FR1信号传输特性与现有的高频段LTE相同，只是载波带宽要宽的多（100-200MHz, LTE中为5-20MHz）。
另一个更具挑战性的光谱范围（FR2）是毫米波（mmWave）5G。FR2频谱由于其信号传播受限、衰减高，在手机应用中还没有得到广泛的使用。其最大的开放频谱范围在24GHz到90GHz之间。为了克服mmWave的传统局限性，需要采用无线电技术中的特殊技术以扩展FR2的可用覆盖范围。聚焦波束形成和波束跟踪等射频技术被部署在5G网络的边缘，为移动用户提供数百兆赫的带宽。
拆解结果分析
今年2月，在巴塞罗那世界移动通信大会（MWC）上众多厂商发布5G智能手机，LG是其中之一。V50 ThinQ5G是一款sub-6GHz 5G智能手机，最初设计用于美国运营商Sprint，后来被用于部署sub-6GHz的全球其他运营商（通常在N77/78频段 3.5GHz）。
LG采用高通第一代X50 5G设计，包括一个分立的5G收发器（SDR8154）和一对RFFE模块。QPM5650传输模块和QDM5650分集接收模块，支持单频段N77/78 sub-6GHz 5G网络。我们将在随后的拆卸结果中看到，第一代设计已被其他三家OEM用于相同的射频配置。
除了RFFE，第一代5G智能手机另一个设计挑战是找到足够的PCB表面来安装额外的5G组件。高通X50调制解调器位于PCB的顶部，与骁龙855 SoC相邻，其余的RFFE组件安装在PCB的底部。LG选择将所有5G组件安装在一个主PCB板上，而不是采用模块化（即堆叠式PCB板)设计，这种设计可以替换为LTE-only，也可以更换5G版本。因此，LG V50 ThinQ本质上是一款根据高通架构设计的专用5G智能手机。
表1——LG V50 5G物料清单中主要的RFFE 组件
Oppo Reno 5G是其旗舰产品Reno （LTE-only）的5G版本。为了适应新的相机功能，Reno拥有一个更大的机架，从而能够使用更大的全屏显示器，以及更大的内置电池。这种物理设计创造了额外的空间，能够将5G组件放入手机中。这一策略允许Oppo基于相同的设计销售两种不同版本的旗舰智能手机。当然，通用平台设计有助于实现规模生产和组件采购。在寻求降低供应链复杂性的OEM厂中，这是一种流行的策略。
在Oppo Reno 5G中，模块化频射（RF）板用于根据不同的全球地区和市场交换射频组件。这种方法允许Oppo减少在不必要的射频组件上的过度投资。同样，高通X50调制解调器、SDR8154收发机和一对RFFE模块（QDM5650和QPM5650）被用来完成5G调制解调器到天线的方案设计。Oppo Reno 5G支持大多数早期欧洲5G网络部署使用的单一公共频率（N78）。
表2——Oppo Reno 5G物料清单中主要的RFFE组件
小米Mi Mix35G是另一个高通sub6-GHz RFFE设计的应用者。正如之前讨论的Oppo Reno一样，Mi Mix3 5G被设计为高度可配置，以便服务于不同的全球市场。小米利用现有的Mi Mix 3设计平台创建了5G版本。小米采用这种设计方法，不仅有助于更快获得5G市场，而且有助于整体设备SKU管理。
为了符合OEM厂商精神，小米Mi Mix3 5G是这款手机的价格领导者，起价为600欧元（约680美元）。
小米采用完全模块化的调制解调器到天线的5G设计（而Oppo采用模块化的RFFE设计），这是让5G功能迅速进入市场的一个机智选择。以上5G PCB组件包含完整的X50调制解调器、SDR8154收发机、QPM5650前端和QDM5650分集模块。在Mi Mix3 5G板中也有未填充的芯片着陆平台。这是出于对中国国内拥有2种不同的sub-6GHz 5G频率的市场的设计考虑。这里所取样的模型是为欧洲市场设计的，欧洲市场主要使用N77/78波段。
表3——小米Mi Mix3 5G物料清单中主要的RFFE组件
OnePlus 7 Pro5G与LG V50 5G设计一样，将高通所有的5G组件都安装在一个通用的主电路板上。然而，与LG V50不同的是，OnePlus 7Pro并不是专门为5G智能手机平台打造的。而是利用他们的OnePlus 7 Pro平台来增加5G功能——采用与Oppo和小米相同的策略。通过重新使用现有的设计，OnePlus能够让大部分LTE-only设计保持独立（降低成本）。然而，为了适应5G组件，OnePlus选择了一个新的PCB设计，而不是走Oppo和小米之前介绍的模块化路线。
为了创造必要的空间容纳前置摄像头，OnePlus主电路板的形状非常奇特。自拍摄像头在需要时弹出，不需要时又会缩回手机里。对于OnePlus来说，在5G设计中唯一的妥协是在LTE-only版本和5G版本之间创建了一个完全不同的主PCB设计。虽然这一策略增加了制造的复杂性，但考虑到弹出式自拍摄像头所需的空间，这样能使手机的厚度尽可能降低。OnePlus 7 Pro是在英国EE网络上独家推出的5G智能手机，能够在5G频段N78上运行。
表4——OnePlus 7Pro 5G物料清单中主要的RFFE组件
三星Galaxy S10+5G是市场上为数不多的mmWave 5G设备之一。与Oppo、小米或OnePlus不同，三星是在Galaxy S10系列旗舰手机的更大版本上开发的。因此，与其他中国OEM厂商相比，这款专为5G设计的智能手机平台更类似于LG V50 5G。三星Galaxy S10+ 5G有两种不同的版本。其中一个用于sub-6GHz 5G（国际市场），另一个用于美国Verizon独家拥有的mmWave 5G网络。我们将要讨论的模型是mmWave版本。
对于mmWave版本，三星选择使用高通X50调制解调器解决方案，而不是他们自己的Exynos平台。与之前四款sub-6GHz 5G手机不同的是，这款Galaxy机型拥有三个位于手机背面的mmWave天线模块（QTM052）。由于mmWave的高衰减特性，必须重新构想RFFE的设计。高通提供的解决方案是使用高度集成的收发器到天线（transceiver-to-antenna）的模块设计。由于mmWave可以通过简单的动作来阻挡，因此需要部署多个天线模块，以便在正常使用时始终有一个暴露的mmWave天线模块。
mmWave的使用可能是5G行业最难克服的技术挑战。AT&T、T-Mobile和Verizon等美国运营商决定率先推出mmWave 5G。mmWave 5G的好处是显而易见的，但是这为RF的设计带来了极其困难的工程问题，最终增加了总体设计的成本。
三星使用高通的mmWave解决方案，充分说明了高通modem-to-antenna方案的成熟度。像三星这样有能力的大型OEM厂商将RFFE设计外包出去是不寻常的，但就mmWave而言，目前只有高通有一个经过验证的设计。在RFFE市场的现有参与者中，只有Skyworks拥有mmWave解决方案，但是还没有成熟到可以商业化的程度。
下图展示了三星Galaxy S10+ 5G设计的复杂性。在主PCB中，有两个未填充的着陆平台，因为在Galaxy S10+ 5G后来的版本中，智能手机同时设计了mmWave和sub-6GHz RFFE。较大的板支持SDR8154 5G收发机，较小的板支持用于N41波段(QPM5580)的5G PAMiD。
三星的工程师为高通公司的三个QTM052 mmWave天线模块创建了三个内部“空腔”，将安装在后盖的正下方，以获得最佳的射频接收效果。
毫米波天线模块需要高度集成，以减少射频组件之间的距离（和信号损失）。该模块包括一系列四相控阵天线，封装有电源管理IC (PMIC)和天线栈下的收发器。在mmWave通信机制中，5G RFFE的信号预算至关重要。选择高通的解决方案而不是自己的射频解决方案，证明了高通在mmWave 5G技术方面的早期技术领先地位。拥有完整的调制解调器到天线解决方案，对于确保5G无线电优化信号接收和低功耗也至关重要。
对冗余的mmWave天线模块的需求将明显增加mmWave 5G手机的BOM成本。未来，随着mmWave 5G天线模块供应链规模的扩大，天线模块和其他5G射频组件的价格将会下降。然而，毫无疑问，第一代5G RFFE将比现有的LTE RFFE解决方案成本更高。因此，在第一代的例子中，mmWave组件的成本远远超过了多波段LTE RFFE。
表5——Samsung Galaxy S10+ 5G物料清单中主要的RFFE组件
第一代5G RF前端成本溢价
图6——所有高通5G设计组件成本比较
上图总结了5G RFFE添加到本文所讲的5款第一代5G手机中的成本溢价。其中5G基带的成本不包括BOM成本分析中。LTE和5G RFFE的成本比较仅限于RF收发器到天线的组件。
拆解数据显示，Sub-6GHz的5G RFFE的成本溢价约为现有LTE RFFE成本的一半。而毫米波方案（以三星设备为例）的成本是现有LTE RFFE的两倍，令人惊讶。由此可见，早期5G设备的成本都偏高。正如十年前的LTE设计刚出来那会一样，后续的5G手机设计应该会降低5G RFFE的成本。在成熟的5G设计中，5G RFFE有望被集成到5G/4G/3G RFFE的设计中。这个成本溢价图强调了5G的RFFE的重要性，从组件成本来看，5G的RFFE和现代芯片组一样重要。
5G中调制解调器到天线(Modem-to-Antenna)设计的重要性
正如上面所说，5G时代为核心电子供应商带来了新的挑战。具体地说，调制解调器的性能不再是衡量性能的标准，整个调制解调器到天线的设计被认为是5G组件产品的新标准。高通显然抓住了这一新设计范式的先发优势，即提供一个完整的5G RFFE产品，但现有的RFFE供应商并没有坐视市场的一家独大。随着5G智能手机的成熟，RFFE组件市场有望升温，现有的零部件制造商将做出反应，提供更完整的RFFE解决方案。对智能手机制造业而言，归根结底是成本绩效的平衡行为。
上面所拆解的5G智能手机有个共同特点——都使用了Qualcomm X50平台的第一代设计。更重要的是，每个示例都使用完整的高通调制解调器到天线解决方案，无论是Sub-6GHz还是毫米波RFFE。高通在第一轮5G手机中获得更高的智能手机组件份额这一事实告诉我们以下道理：
1，Pre-baked 5G方案能够帮助OEM厂更快进入市场；
2，完整的调制解调器到天线解决方案可节省开发成本并降低早期5G设计的风险（就像在4G LTE中一样）；
3，从调制解调器到天线的单个组件供应商具有其他好处，例如优化RF的功耗；
4，OEM厂选择的具有理想设计的RFFE将越来越复杂；
5，前期5G组件市场竞争较弱，让高通完整的调制解调器到天线解决方案获得了早期的胜利。
期待第二代5G RFFE设计
预计2020年将迎来新设计周期，第二代5G解决方案将可能在4G LTE和5G NR之间实现更紧密的组件集成。
此外，我们将会看到Sub-6GHz和毫米波在同一个RFFE上的5G设备。这样的设计这些设计将实现更好的芯片级集成，4G和5G RFFE的融合以及降低的总体成本。第二代5G设计定义为具有多模5G / 4G / 3G / 2G功能的调制解调器（单芯片调制解调器）功能，以及融合LTE和5G以及融合RFFE设计的融合单RF收发器。
基于高通X55第二代5G平台的多个5G设计即将发布，允许OEM在调制解调器和RFFE的组件集成和成本优化方面取得更大进步。
目前已宣布多模5G / 4G / 3G / 2G设计的其他商用调制解调器供应商包括联发科和紫光展锐。但是，迄今为止，这些仍然主要是仅调制解调器的预生产解决方案，没有配套的5G RFFE设计。像华为海思和三星这样的专属供应商可能会提供更新一代的5G设计，但同样不是完整的调制解调器到天线解决方案。
毫米波5G的RF设计挑战仍将出现在第二代5G手机中。毫米波衰减一直是移动RFFE设计的问题。三大全球OEM厂（三星，华为和苹果（收购英特尔））都拥有一些毫米波功能，在市场推广和进度上普遍落后于高通。关于高通毫米波技术的发展，其正在准备更小的天线模块设计，通过更容易地放置毫米波天线模块，来更好地帮助适应智能手机的工业设计。
随着行业在未来几年内实现5G转型，预计RFFE领域将发生重大变化。大体量OEM厂可能会试图摆脱单一供应商的调制解调器到天线解决方案，以保持多源供货。不过完整解决方案的好处很难被忽视，特别是对于在5G市场野心勃勃的厂商。
结论
每一次新技术的转变都藏着市场颠覆的机会。虽然RFFE市场拥有几个不错的RFFE利基组件玩家（博通的BAW滤波器，Qorvo的PAMiDs、村田的滤波器/天线），但是没有玩家提供一个完整的解决方案——从调制解调器到天线到RFFE的方案。
高通进入RFFE市场显然是看到这一新机遇。成功背后取决于许多因素，其中最重要的是5G采用、RFFE解决方案的成本以及现有参与者的竞争力。然而，在第一轮的5G游戏中，高通似乎凭借其调制解调器到天线（modem-to-antenna）的产品赢得了胜利。
本文由TechSugar编辑部翻译自IHS Markit。
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