藏在高端智能手機芯片里的“外交官”：射頻前端

藏在高端智能手機芯片里的“外交官”：射頻前端進(jìn)入3G/4G/Pre-5G時代，射頻前端，一個手機SoC里不起眼的小角色，開始在高端智能手機市場挑大梁。一旦連上移動網(wǎng)絡(luò)，任何一臺智能手機都能輕松刷朋友圈、看高清視頻、下載圖片、在線購物，這完全是射頻前端進(jìn)化的功勞，手機每一個網(wǎng)絡(luò)制式（2G/3G/4G/WiFi/GPS），都需要自己的射頻前端模塊，充當(dāng)手機與外界通話的橋梁——手機功能越多，它的價值越大。射頻前端與智能終端一同進(jìn)化射頻前端（RFFE：RadioFrequencyFrontEnd）模塊是移動終端通信系統(tǒng)的核心組件，對它的理解可以從兩方面考慮：一是必要性，它是連接通信收發(fā)器（transceiver）和天線的必經(jīng)之路；二是重要性，它的性能直接決定了移動終端可以支持的通信模式，以及接收信號強度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗。如下圖所示，射頻前端芯片包括功率放大器（PA：PowerAmplifier），天線開關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA：LowNoiseAmplifier）等，在多模／多頻終端中發(fā)揮著核心作用。除通信系統(tǒng)以外，手持設(shè)備中的無線連接系統(tǒng)（Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等）對射頻前端芯片也有較強的需求。射頻前端之所以越來越復(fù)雜，一個主要驅(qū)動因素是終端產(chǎn)品，由于終端產(chǎn)品多模、多頻段的趨勢導(dǎo)致。觀察下圖，一款4G全網(wǎng)通手機的PCB板上，囊括數(shù)十顆射頻芯片，頂級終端所占比例更大。MobileExpert數(shù)據(jù)顯示，2020年整個全球射頻前端市場會達(dá)到180億美元，2015年到2020年復(fù)合增長率達(dá)到13%，其中很重要的一塊增長就是來自于濾波器、雙工器。濾波器、雙工器之所以成為增長來源，是因為隨著頻段增多而增加：按照一個雙工器包含兩個濾波器的規(guī)格，在2015年，一個頂級智能手機里大概支持15個頻段，包含50個濾波器。預(yù)計到2020年，一個頂級智能手機中將支持30-40個頻段來覆蓋全球頻段，目前市場上最頂級的智能手機已經(jīng)支持30多個頻段，它包含的濾波器可以到100個以上。除此之外，射頻前端為何市場前景廣闊？答案也是因為頻段+載波聚合組合的增長。關(guān)于頻段。2G／3G時代，頻段極少，2G年代GSM是4個頻段，3G年代TD-SCDMA是2個頻段、CDMA在中國是一個頻段，當(dāng)時射頻前端的復(fù)雜性較低，價值也較低。到4G時代早期，“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念成為廠商宣傳熱點，可以作為手機核心競爭力——通信制式的兼容。那時候，頻段增加到16個，全球全網(wǎng)通頻段增至49個，3GPP新增的600MHz頻段編號達(dá)到71個，如果納入5G毫米波那么頻段還會增加。關(guān)于載波聚合。從2015年最開始的兩個載波，增至現(xiàn)在的3-4個載波，預(yù)計2017年將會提出超過1000個頻段組合的需求。以上兩者都需要射頻前端的能力。擺在射頻前端廠商面前的難題盡管射頻前端前景廣闊，但很多射頻前端廠商在工藝設(shè)計上犯了難。IHSMarkit近期發(fā)布的報告指出，自LTE設(shè)備誕生以來，射頻前端的復(fù)雜性顯著增加；設(shè)備其他功能的改進(jìn)，導(dǎo)致了一個更具挑戰(zhàn)性的設(shè)計環(huán)境。一方面，高端智能手機不斷推陳出新，屏幕越來越大、機身越來越輕薄，這些變化直接導(dǎo)致射頻前端組件的物理空間減少；另一方面，考慮到大尺寸屏幕對電池續(xù)航的影響，射頻前端的設(shè)計要比以往更重視電源使用效率；第三，網(wǎng)速越來越快，射頻前端模塊正在變得越來越復(fù)雜。盡管射頻前端的復(fù)雜程度增加，然而設(shè)備PCB上留給此功能區(qū)的空間一直以來卻在減少。過去幾年，高端智能手機已經(jīng)從僅支持有限的射頻頻段轉(zhuǎn)為單一SKU，支持34個頻段的智能手機，為了盡可能在有限的空間容納擴展頻段，射頻前端越來越模塊化，比之前集成了更多的PA、濾波器、雙工器、開關(guān)和LNA部件，隨著PCB上元器件密度越來越高，元器件間的干擾逐漸成為一個不可忽視的問題，如何對每個射頻元器件實施充分有效的隔離，成為相關(guān)廠商的第二個挑戰(zhàn)。一個集成化的解決方案是關(guān)鍵縱觀射頻前端芯片市場，器件主要分為兩類，一類是使用MEMS工藝制造的濾波器，以聲表面波濾波器(SAW)和體聲波濾波器(BAW)為代表，第二類是使用半導(dǎo)體工藝制造的電路芯片，以功率放大器(PA)和開關(guān)電路(Switch)為代表。SAW和BAW市場都不缺玩家，而高通給出的答案是：做一個集成化的射頻前端解決方案，或許能成為高端智能手機的救星。稍早前，高通與TDK株式會社成立了合資企業(yè)RF360控股公司。今年2月份，高通推出了全新的射頻前端解決方案，被高通稱作“從調(diào)制解調(diào)器到天線”的完整解決方案：1、完整的射頻前端核心技術(shù)。通過與TDK成立的合資公司，高通擁有包括表面聲波（SAW）、溫度補償表面聲波（TC-SAW）和體聲波（BAW）在內(nèi)的一系列全面的濾波器和濾波技術(shù)，另外也擁有像做開關(guān)產(chǎn)品或天線調(diào)諧的SOI技術(shù)，還有低噪聲放大器（LNA）技術(shù)。2、先進(jìn)的模塊集成功能。與SoC不同，射頻前端的集成是做SIP（SystemInPackage，系統(tǒng)級封裝），通過與TDK合作，高通加強了模組集成能力，可以提供集成化方案。3、高通具有自己的調(diào)制解調(diào)器（modem），這是其與第三方射頻元器件廠商相比，所擁有的重要差異化優(yōu)勢，從而能提供一套系統(tǒng)化解決方案。值得一提的是，高通的整合解決方案還支持載波聚合的TruSignal自適應(yīng)天線調(diào)諧技術(shù)。TruSignal可被看作是三項技術(shù)的總稱：第一是主分集天線切換，它是用來解決手機“死亡之握”的問題——手機的主天線一般是在手機的下方，當(dāng)人們用手握住它的時候，信號會掉得非?？欤?dāng)下方主天線被握死時，它可以將天線切換到上面的分集天線去；第二是天線調(diào)諧——天線調(diào)諧技術(shù)又包含兩類，一類叫孔徑調(diào)諧，一類叫阻抗調(diào)諧，通過調(diào)諧天線的匹配，可以解決天線和PA之間的適配問題；第三是高階分集接收——通過增加分集來提升接收性能，以及接收的下行速率。三個技術(shù)配合在一起，好處多多。第一是通話可靠性和通話質(zhì)量：當(dāng)天線性能提升之后，信號質(zhì)量提升，通話的可靠性和質(zhì)量自然提升了，經(jīng)過高通實測，通話掉話率最高可以減少30%；第二是更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，實測數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)傳輸速率可以提高49%；第三是在同樣的傳輸速率、同樣的吞吐率情況下，電池續(xù)航時間可以提高，當(dāng)天線效率得到提升之后，在同樣的速率下，需要的輸出功率變少，電池的續(xù)航時間就變長了。完整的射頻前端解決方案，