智慧型手機是最主要也最重要的行動終端，肩負5G全新行動上網體驗的重責大任，射頻模組的效能表現更是其中的關鍵，sub 6GHz射頻天線模組須要透過SiP整合降低元件的發熱、耗電、成本；毫米波AiP模組則可望發展為訊號完整性更高的元件。
5G來了！但是身為關鍵零組件之一的射頻與天線模組卻面臨嚴苛的技術挑戰，因為5G頻段從1GHz以下到30GHz以上的毫米波，使用比過去更多的頻段，因此造成射頻元件使用數量需求大增，不管在訊號完整性、元件整合度、系統耗電量、散熱與成本等方面的問題都跟著水漲船高，然而基地台、小型基地台(Small Cell)、網路閘道器等設備，因為成本、空間、耗電等的要求較有彈性，遭遇到的挑戰相對較少，但對於手機來說這些問題同時擠在一個手掌大的空間裡，就成為一座難以跨越的高山。
2019年初的世界通訊大會(MWC)已經發表多款5G手機，也有不少媒體與專業人士搶先體驗，從已商轉的美、韓電信商服務來看，目前5G網路服務品質相當「悲劇」，基礎建設尚未完善導致5G網路覆蓋率不足當然是主因之一，另外，目前市面上的5G手機射頻模組可能還處於「拼裝車」等級，恐怕也是相當重要的因素，因此5G射頻晶片模組的技術進展，相信是未來5G體驗能否持續改善的一大要點。
5G射頻元件技術門檻高
無線通訊從2G、3G、4G一路發展到接下來十年的5G，應用領域越來越廣泛，關鍵元件出貨量持續提升，但由於技術門檻越來越高，所以有能力推出解決方案的廠商數量也一路減少，以手機的關鍵零組件應用處理器(Application Processor, AP)與基頻晶片為例，不久前連已耕耘行動通訊領域多時，併購與投資許多資源的半導體老大Intel都宣布退出5G終端晶片市場，就可以說明此領域的競爭激烈程度與進入門檻之高。
與手機應用處理器相較，射頻、天線模組技術難度可謂不遑多讓，分析射頻前端模組，是由天線接收類比訊號進來，再經由交換器、濾波器及降低雜訊等過程，最後再將類比訊號轉為數位訊號交由基頻晶片處理；反之，在訊號發射過程中，先由數位訊號轉類比訊號後，經由功率放大器(Power Amplifier, PA)升頻並放大訊號，再由天線發射出去。
在2G時代，射頻模組平均單價約0.8美元，3G手機射頻模組約3.25美元，4G手機的射頻前端則從中階手機的7.25美元，到高階手機的16.25美元不等，主因就是新的規格為了強化傳輸速率與效率，不斷增加使用頻段，射頻模組元件也不斷增加以支援，以Apple iPhone為例，第一代iPhone只需支援2G的四個頻段，至2016年支援頻段提升至四十個，未來5G商用後，手機支援的頻段數量將進一步提升，對應射頻前端元件需求也將增加；此外，4G多模多頻手機所需PA晶片增加至5~7顆，預估5G手機內的PA數量將高達16顆之譜。
sub 6GHz射頻元件大幅增加
行動通訊技術的發展具有累積的特性，資策會MIC資深產業分析師兼產品經理韓文堯指出，行動通訊在4G LTE時代導入MIMO與載波聚合(Carrier Aggregation, CA)技術，5G時代又加上大規模MIMO(Massive MIMO)與波束成形(Beam Forming)、波束追蹤(Beam Tracking)等，而且新的元件對舊的技術都要求要向下相容。4G LTE使用的頻段約六十六個，預期5G NR將再增加五十個使用頻段，種種需求讓一支5G手機的射頻天線模組成本預計將達40美元。
韓文堯進一步說明，目前已上市量產的5G手機射頻天線模組，如圖1，在6GHz以下頻段，除了支援4G的低頻與高頻元件之外，還要新增虛線框的5G NR頻段元件，從個別元件來看，天線部分，4×4MIMO成為必須，從1T2R提升到2T4R，數量增加(LTE、5G、Wi-Fi、GPS等總計可能11根以上，另有NFC或無線充電)；而天線材料則朝向聚醯亞胺(M-PI)與液晶聚合物(LCP)發展，M-PI具低成本優勢，可滿足sub 6GHz要求，LCP在低介電常數、低損耗與低吸溼性上有更好的表現，但價格昂貴。
圖1 5G手機射頻天線模組架構圖
資料來源：Qorvo、Qualcomm、資策會MIC整理(05/2019)
濾波器部分，因新頻段增加、多載波聚合等，使用數量將從30個提升至40~70個左右；而由於主流頻段屬於3.3~4.9GHz超高頻，過去常用的表面聲波濾波器(Surface Acoustic Wave Filter/SAW Filter)主要支援400MHz~2.xGHz間，已不敷所需，因此未來可支援2GHz以上的體聲波(BAW)濾波器、薄膜體聲波震盪器(Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators, FBAR)濾波器技術比重與使用數量將提升。
射頻開關因天線支援頻段與數量增加，數量從8~10顆提升至20~30顆。為了降低延遲，開關切換速度須提升，加上單一開關可切換的天線數也會增加；RF-SOI製程將提升至65nm、45nm；另外天線調諧器、功率放大器、低雜訊放大器等元件的使用量也都需要增加。原則上6GHz以下的射頻元件廠商還是以過往的Skyworks、Qorvo、Broadcom、Murata、Infineon這些廠商為主，但由於支援頻段增加，元件數量大增，所以近兩年全頻段支援的射頻模組會大幅減少，並以區域頻段模組化的設計架構為主。
5G毫米波射頻元件採AiP
毫米波(mmWave)應用可以說是5G最大的變革與挑戰之一，高頻段使天線尺寸縮小、路徑損耗提升，為維持訊號完整性，因此朝模組發展，把mmWave天線、Transceiver、PMIC等各射頻元件封裝在一個模組內，以AiP(Antenna in Package)封裝(圖2)，為了不被手掌遮擋，需要在手機各邊都安裝一個，可能採用多達3~4個模組。
圖2 5G毫米波射頻天線AiP設計
資料來源：Toshiba
毫米波射頻模組須仰賴基頻晶片數據機(Modem)調整射頻前端功能，因此高通(Qualcomm)、三星(Samsung)、聯發科(MTK)、海思(Hisilicon)都積極投入5G毫米波AiP模組的發展。其中，Qualcomm技術最為領先，目前已經推出QTM052、QTM525系列產品採CMOS製程，第二代QTM525支援n257(28GHz)、n260(39GHz)、n261(US 28GHz)和n258(26GHz)等頻段，可供北美、歐洲及澳洲等地使用。三星旗下的三星電機(SEMCO)也已發表相關產品，短期內5G手機的毫米波射頻模組與6GHz以下射頻模組將各自發展。
智慧型手機是最主要也最重要的行動終端，肩負5G全新行動上網體驗的重責大任，5G上路網路體驗不如預期，部分原因是為5G而趕鴨子上架，因此，須要透過全面的技術改善包括5G網路基礎建設布建、標準制定、元件製程微縮並提升整合度、新材料開發等持續努力。以射頻天線模組來看，6GHz以下目前還是比較能穩定提供無線連結的元件，但大量增加的元件數量與成本，對廠商造成重大壓力，應該透過技術的推動，如系統級封裝(System in Package, SiP)強化元件的整合度。
若說2019年是5G元年，2020年就是5G站穩腳步的關鍵一年，射頻天線元件廠商經過第一版產品的跌跌撞撞之後，應當能推出功能更加穩定的產品，短期來看，6GHz以下的射頻天線模組與毫米波天線模組將分開發展，sub 6GHz積極透過整合降低元件的發熱、耗電、成本等，而毫米波AiP模組希望能在訊號完整性、訊號抗干擾上獲得改善，並能達成穩定高速傳輸的任務。中長期而言，也期待透過技術的改善與突破，進一步整合這兩類射頻天線模組。目前手機廠與電信商都對5G效能改善有高度需求的狀況下，5G射頻天線技術可謂是典型的藍海，只要投積極投入並提出適當的解決方案，就可以搶占5G最熱門的商機。