手機射頻前端發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)分析

詹文浩++戴國華

【摘 要】為了介紹手機射頻前端的發(fā)展?fàn)顩r、分析新技術(shù)對射頻前端的影響，通過比較射頻前端和手機市場的發(fā)展趨勢，總結(jié)射頻前端市場快速發(fā)展的原因，同時討論了射頻前端技術(shù)的發(fā)展趨勢，最后分析了全網(wǎng)通終端的普及，以及載波聚合、多輸入多輸出和高頻通信對射頻前端的影響。

【關(guān)鍵詞】射頻前端 載波聚合 功率放大器 濾波器

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.07.001 中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）07-0005-05

引用格式：詹文浩，戴國華. 手機射頻前端發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)分析[J]. 移動通信， 2017，41（7）： 5-9.

1 引言

射頻器件是無線連接的核心，隨著4G智能手機終端的發(fā)展，手機終端需要支持多種無線通信系統(tǒng)，這使得射頻器件顯得尤為重要，也促進了射頻前端市場的發(fā)展。單一手機中射頻前端的價值從早期GSM手機的不足1美金到現(xiàn)在已經(jīng)超過了10美金，未來隨著新技術(shù)的不斷引進和5G時代的到來，射頻前端的價值甚至有可能超過主芯片。本文將介紹現(xiàn)今手機終端中日益重要的射頻前端，介紹射頻前端的市場發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)發(fā)展趨勢，分析新技術(shù)對射頻前端的影響。

2 手機射頻前端發(fā)展?fàn)顩r

2.1 射頻前端介紹

如圖1所示，手機射頻模塊主要包括天線、射頻前端和射頻芯片，主要負責(zé)高頻無線電波的接收、發(fā)射和處理。其中天線主要負責(zé)射頻信號和電磁信號之間的相互轉(zhuǎn)換，射頻芯片主要負責(zé)射頻信號和基帶信號之間的相互轉(zhuǎn)換，射頻前端負責(zé)將接收和發(fā)射的射頻信號進行放大和濾波。目前手機射頻芯片多與基帶芯片集成在主芯片內(nèi)，天線則設(shè)計為單獨的模塊，射頻前端因制作材料的不同難以與芯片集成，且射頻前端器件種類較多，因此會分成多個不同功能的射頻前端模塊。

射頻前端主要包括了天線開關(guān)、濾波器、雙工器、PA（Power Amplifier，功率放大器）、LNA（Low Noise Amplifier，低噪聲放大器）等器件。其中天線開關(guān)負責(zé)不同射頻通道之間的轉(zhuǎn)換；濾波器負責(zé)射頻信號的濾波；雙工器負責(zé)FDD系統(tǒng)的雙工切換和接收發(fā)射通道的射頻信號濾波；PA負責(zé)發(fā)射通道的射頻信號放大；LNA負責(zé)接收通道的射頻信號放大。

2.2 射頻前端市場發(fā)展?fàn)顩r

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多制式、頻段、新特性的加入，手機射頻前端變得越來越重要。全球手機射頻前端市場規(guī)模如圖2所示，目前射頻前端的市場規(guī)模已經(jīng)突破120億美元，預(yù)計到2020年，手機射頻前端的總體市場將超過200億美元。

如圖3所示，從2013年開始，手機射頻前端的市場規(guī)模增速將超過手機出貨量的增速。雖然近年來全球手機的出貨量增速不斷下降，2015年增速為9%，2016年增速下降到1%左右，但手機射頻前端的市場規(guī)模依然保持了15%以上的增速。單個手機終端的射頻前端器件的價值越來越高，三星、蘋果等旗艦機型內(nèi)的射頻前端價值甚至超過12.75美金。

目前全球手機市場已經(jīng)趨于飽和，預(yù)計未來將繼續(xù)維持低增速甚至負增速的狀態(tài)，但隨著4G的成熟、4.5G技術(shù)的引入以及全網(wǎng)通終端的普及，手機內(nèi)射頻前端的數(shù)量將會不斷增加，單個手機終端的射頻前端器件的價值會繼續(xù)提升，可支撐射頻前端的市場在未來幾年繼續(xù)保持10%以上的增速。

在手機射頻前端領(lǐng)域技術(shù)較為先進和產(chǎn)品較全面的公司有以下幾家：

（1）Skyworks，思佳訊（美國）：主營射頻解決方案、PA、FEM（前端模塊）等，擁有較為齊全的射頻前端產(chǎn)品線，是蘋果最大的射頻前端供應(yīng)商。

（2）Qorvo（美國）：由RFMD和Triquint合并的新公司，主營PA、天線開關(guān)、濾波器等，產(chǎn)品最為豐富，能夠覆蓋射頻前端的主要器件市場。

（3）Avago，安華高（美國）：其射頻前端專供3G和4G領(lǐng)域，BAW濾波器領(lǐng)域的市場占有率最高。

（4）Murata，村田（日本）：主營陶瓷電容、濾波器、天線開關(guān)等器件。

圖4為2016年射頻前端的市場份額，Skyworks、Qorvo、Avogo和Murata四家公司占據(jù)了85%的市場份額，其他廠商包括高通、TDK，國內(nèi)的銳迪科、中科漢天下、中普微等瓜分余下的15%市場。相比于手機芯片市場國產(chǎn)芯片的崛起，射頻前端器件的領(lǐng)域目前還主要由國外廠家主導(dǎo)，國內(nèi)的射頻廠商的差距主要在于技術(shù)、專利和制造工藝，主要的產(chǎn)品為PA和較低端的濾波器。

預(yù)計在今后幾年，射頻前端的市場不會發(fā)生太大的改變，但隨著5G時代的到來，現(xiàn)有的工藝將很難滿足毫米波的射頻需求。一些在高頻射頻元器件有技術(shù)積累的廠商可能會加入到手機射頻的市場，對現(xiàn)有的射頻市場格局帶來一定的沖擊。

圖4 2016年射頻前端市場份額

2.3 射頻前端技術(shù)發(fā)展趨勢

手機射頻前端未來的主要發(fā)展趨勢在于提高集成度。未來的手機終端的射頻前端數(shù)目將飛速增長，而預(yù)計手機的體積并不會有太大的提升，所以要在相同的體積內(nèi)裝配更多的射頻前端，就需要提高射頻前端的集成度。由于射頻前端器件的材料多為GaAs，無法于主芯片集成，所以射頻前端只能做出單獨的模塊。目前手機廠商大多選擇搭配多個射頻前端小模塊，但隨著手機內(nèi)部空間日益吃緊，射頻前端器件的集成趨勢也非常明顯，未來射頻前端可能會以單獨一個模塊的形式集成在手機內(nèi)。

射頻前端另一大發(fā)展趨勢在于高頻段射頻前端的開發(fā)，目前制造低頻段射頻前端的材料很難滿足毫米波段的射頻前端性能需求。因此，基于GaN或其他一些高頻特性較好的材料的射頻前端制造工藝將成為未來射頻技術(shù)發(fā)展的一大重點。

3 新技術(shù)對射頻前端的影響分析

從2G功能機時代單一的通信系統(tǒng)，到如今智能機時代2G、3G、4G、Wi-Fi等眾多的無線通信系統(tǒng)，對手機射頻前端器件的要求越來越高，其數(shù)量也越來越多。未來新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)也對射頻前端提出了更多更高的要求，對射頻前端影響最大的熱點新技術(shù)包括新增制式和頻段、CA（Carrier Aggregation，載波聚合）、MIMO和高頻通信。

3.1 新增頻段和制式

隨著全網(wǎng)通終端的普及，未來手機終端將支持更多的頻段和制式，意味著手機需要更多的射頻前端器件。新增支持一個2G或3G頻段需增加一個相應(yīng)頻段的濾波器和天線開關(guān)端口，由于LTE接收分集的存在，新增支持一個LTE頻段則至少需要增加兩個相應(yīng)頻段的濾波器和天線開關(guān)端口。全球LTE頻段眾多，一顆PA無法支持全球所有的LTE頻段，所以在新增支持一些特殊的頻段時還可能需要增加額外的PA。

如需新增手機支持的制式，射頻前端不僅需要新增新制式所在頻段的濾波器，還需要新增PA以支持新制式的發(fā)射信號放大，目前一個全網(wǎng)通的手機至少包括了3顆PA、3個天線開關(guān)和各種不同頻段的濾波器，射頻前端整體的價值至少在8美金以上。從2G手機支持4個頻段、3G手機支持9個頻段，到3GPP R11版本中蜂窩通信系統(tǒng)支持的頻段數(shù)達到41個，單款手機中射頻前端的數(shù)量飛速增長。未來5G所支持的頻段數(shù)量預(yù)計會在50個以上，射頻前端數(shù)量的又將經(jīng)歷一次飛躍。

3.2 載波聚合

CA是當(dāng)前熱門的通信技術(shù)，可以有效提高頻譜碎片的利用率，提升單用戶峰值速率。目前下行2CA的終端已經(jīng)較為普及，2017年終端要求支持下行3CA。為彌補上行帶寬的不足，中國移動已預(yù)計在今年商用上行2CA。從終端的角度來看，在芯片性能滿足大帶寬的情況下，終端支持CA對射頻前端的影響較大，不同的CA類型和組合將給射頻前端帶來不同的挑戰(zhàn)。一般來說，CA類型可分為上行、下行；帶內(nèi)、帶間，其中帶內(nèi)的CA只需射頻前端可支持足夠的帶寬，無需新增器件，而帶間的CA則對射頻前端的影響較大，以下討論的方案皆為帶間CA的情況。

（1）下行2CA

2CA的類型根據(jù)頻段可分為LB+M/HB、LB+LB、MB+HB、MB+MB，其中較為常見的為LB+M/HB、MB+MB的場景。如圖5（a）所示，當(dāng)無CA時，頻段A和頻段B通過天線開關(guān)進行切換。圖5（b）為LB+M/HB的CA情況下射頻前端的解決方案，因為低頻和中高頻的頻率相差較大，所以可通過一個雙信器將接收信號分流成低頻和中高頻兩部分，以達到CA的目的。但當(dāng)兩個頻段的頻率較為接近時，就無法通過雙信器進行分流。如圖5（c）所示，MB+MB的CA則需要在天線開關(guān)前新增四工器，四工器相當(dāng)于兩個濾波器和雙信器的組合，相比于雙信器，四工器具有更好的信道隔離和信號分流功能。四工器的設(shè)計較為復(fù)雜，因此價格較高，目前較為常見的有B1+B3、B2+B4四工器。

（2）下行3CA

目前國內(nèi)三大運營商均已商用或計劃商用下行3CA，其中中國移動的是B41的帶內(nèi)3CA方案；中國聯(lián)通是B1+B3+B3的帶內(nèi)帶間結(jié)合的3CA方案；中國電信的3CA方案為B1+B3+B5帶間3CA，中國電信的帶間3CA對射頻前端的影響會較為明顯。

圖6為中國電信3CA的兩種射頻前端解決方案，圖6（a）為單天線時的射頻前端解決方案，接收信號先通過雙信器分為低頻和中高頻兩路，中高頻信號再通過四工器進一步分流為B1和B3兩路信號，以此達到3CA的目的，此方案實現(xiàn)較為簡單，但新增的雙信器會使接收信號造成損耗，需通過提高低噪聲放大器的功能來彌補。圖6（b）為雙天線時的射頻前端解決方案，此方案下需新增天線、開關(guān)模塊和濾波器，成本較高。

（3）上行2CA

上行CA對于射頻前端的影響主要在于PA，由于手機一般會有高、中、低頻三個PA模塊，因此當(dāng)CA的兩個頻段不在同一頻域內(nèi)時，PA數(shù)目可不發(fā)生改變，射頻前端不需要有額外改動，但當(dāng)兩個頻段同為低頻或中頻時，則需新增相應(yīng)頻段的PA。兩個PA同時工作時終端功耗會顯著增加，因此如何控制功耗、增加效能是上行CA需要面臨的關(guān)鍵問題。

3.3 MIMO

MIMO技術(shù)在發(fā)射端和接收端采用多根發(fā)射天線和接收天線，通過空分復(fù)用提升速率和容量，是4.5G及未來5G時代的核心技術(shù)。目前4×4MIMO要求在手機端采用4根天線進行接收，而每根天線均需要一整套的射頻前端模塊，射頻前端器件的數(shù)量將成倍增加。未來5G時代的手機可能集成8根、16根甚至更多的天線，射頻前端器件的數(shù)目會更加龐大。

3.4 高頻通信

高頻通信是5G時代的核心技術(shù)，目前射頻前端器件在技術(shù)上還無法做到在手機上實現(xiàn)高頻通信。高頻通信的出現(xiàn)將對手機射頻前端器件的性能和制作工藝提出更高的要求。目前PA和LNA主流的制作材料在高頻時會受到很大的影響，未來可能需要諸如GaN等高頻特性更好的材料制造射頻前端器件，在制造技術(shù)和成本上都還需要有所突破。高頻通信下單一信道的帶寬將遠遠大于LTE的信道帶寬，因此對天線、濾波器和PA的性能要求會更高。

4 結(jié)束語

在手機存量接近飽和、芯片市場趨于白熱化的今天，射頻前端的市場仍保有一個較快的增速和良好的發(fā)展勢頭，射頻前端已成為手機終端最為關(guān)鍵的部分之一。通過本文分析可知，全網(wǎng)通終端的普及以及載波聚合、MIMO等技術(shù)的發(fā)展將進一步推動射頻前端的發(fā)展。而隨著5G時代的臨近，射頻前端也將面臨更大的發(fā)展機遇與技術(shù)挑戰(zhàn)。

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