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Labs 導(dǎo)讀
作者：張兆翔
單位：中國移動終端公司
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射頻是什么
射頻（RF，Radio Frequency）是一種高頻交流變化電磁波的簡稱，它表示可以輻射到空間的電磁頻率，范圍多在300kHz～300GHz之間。我們所指的手機(jī)的射頻部分，業(yè)內(nèi)人士通常稱作RF（射頻前端），主要完成基帶調(diào)制信號的上變頻和下變頻。通俗地講，射頻前端主要負(fù)責(zé)信號的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換工作，同時負(fù)責(zé)信號的放大。
射頻前端是手機(jī)的核心器件，直接影響著手機(jī)的信號收發(fā)。一個典型的射頻前端可分為發(fā)射端(TX)和接收端(RX)兩部分。從組成器件來看，射頻前端包含了從天線到基帶之間的一切功能實(shí)體的組合，包括天線開關(guān)（Switch，用做TDD）/雙工器(Duplexer，用做FDD)、PA（Power Amplifier，功率放大器）、LNA（Low Noise Amplifier，低噪聲放大器）、調(diào)諧器(Antenna Tuner)、Filter（濾波器）、ADC/DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）、ET tracker（包絡(luò)功率追蹤器）等一系列射頻前端器件。
圖1 射頻前端整體組成示意圖
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射頻構(gòu)成有哪些
首先，讓我們先了解幾個最常見的射頻器件和基本概念：
圖2 射頻前端相關(guān)元器件框圖
2.1 功率放大器（PA）
功率放大器（PA，Power Amplifier）是通信射頻前端的核心部件，利用三極管的電流控制作用或場效應(yīng)管的電壓控制作用，將調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率放大，以輸出到天線上輻射出去。PA的性能直接決定通信信號的穩(wěn)定性和強(qiáng)弱，其主要用于發(fā)射(TX)鏈路，通過把發(fā)射鏈路的微弱射頻信號放大，使信號成功獲得足夠高的功率，從而實(shí)現(xiàn)更高通信質(zhì)量、更強(qiáng)電池續(xù)航能力、更遠(yuǎn)通信距離。
2.2 濾波器（Filter）
濾波器（Filter）是射頻前端中最重要的分立器件，其作用是保留特定頻段內(nèi)的信號，將特定頻段外的信號濾除或做極大衰減處理，從而提高信號的抗干擾性及信噪比。目前在手機(jī)射頻市場中主要采用聲學(xué)濾波技術(shù)。根據(jù)制造工藝的不同，市面上的聲學(xué)濾波器可分為聲表面波濾波器（Surface Acoustic Wave，SAW）和體聲波濾波器（Bulk Acoustic Wave，BAW）兩大類，其中SAW濾波器制作工藝簡單，性價比高，主要應(yīng)用于GHz以下的低頻濾波，基本工作原理就是：輸入的電信號被輸入叉指換能器轉(zhuǎn)換成同頻率聲波，經(jīng)過輸出叉指能換器轉(zhuǎn)換成電信號，從而實(shí)現(xiàn)頻率選擇。現(xiàn)在使用更多的BAW濾波器插損低，性能優(yōu)秀，可以適用于高頻濾波，但工藝復(fù)雜價格較高。
圖3 射頻濾波器SAW原理示意圖
當(dāng)前濾波器的需求主要源于新通信技術(shù)不斷迭代和引入，如各種5G頻段的逐步應(yīng)用以及對MIMO和載波聚合的引入，以及Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS等新無線技術(shù)漸漸，由此帶來對于濾波的額外需求，這都導(dǎo)致了對于濾波器需求的迅速增長。當(dāng)前，一款典型的5G主流智能機(jī)型可能需要支持超過40個通信頻段，使用多達(dá)70多個濾波器。
2.3 低噪聲放大器（LNA）
低噪聲放大器的功能是把天線接收到的微弱射頻信號放大，盡量減少噪聲的引入，在移動智能終端上實(shí)現(xiàn)信號更好、通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸率更高的效果。其工作原理就是：輸入的射頻信號被輸入匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)過放大器對電壓進(jìn)行放大，同時在放大過程中最大程度降低自身噪聲的引入，最后經(jīng)過輸出匹配網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為放大后功率信號輸出。
圖4 低噪聲放大器工作原理示意圖
2.4 射頻開關(guān)（RF Switch）和雙工器（Duplexer）
射頻開關(guān)與雙工器的作用基本上是一樣的，都是負(fù)責(zé)接收電路與發(fā)射電路之間的切換，主要區(qū)別是應(yīng)用在不同類型的前端電路里。射頻開關(guān)是將多路射頻信號中的任一路或幾路通過控制邏輯連通，實(shí)現(xiàn)不同信號路徑的切換，包括接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等，以達(dá)到共用天線、節(jié)省終端產(chǎn)品成本的目的。
圖5 射頻開關(guān)工作原理示意圖
2.5 天線調(diào)諧開關(guān)（Antenna Tuner）
天線調(diào)諧開關(guān)Antenna Tuner與上面提到的射頻開關(guān)RF switch本質(zhì)上都是開關(guān)，但與射頻開關(guān)RF Switch實(shí)現(xiàn)不同路徑間切換有所不同，天線調(diào)諧開關(guān)Antenna Tuner通過修改可變電容的值以實(shí)現(xiàn)不同的頻率偏移。
Antenna Tuner主要給天線做配套，由于全面屏的普及，越來越緊湊的機(jī)身設(shè)計，手機(jī)內(nèi)部留給天線的空間尺寸不斷受到限制，這導(dǎo)致天線系統(tǒng)的整體效率降低，需要天線調(diào)諧開關(guān)提高天線對不同頻段信號的接收能力，過去4G手機(jī)一般需要4~6個天線，而當(dāng)今5G手機(jī)至少需要6~10個天線，對天線調(diào)諧開關(guān)的重要性和匹配需求也日益增長。
2.6 包絡(luò)追蹤器（Envelop Tracker ，簡稱ET）
Envelop Tracker (ET)，即包絡(luò)追蹤器，用于提高承載高峰均功率比信號的功放效率，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功率放大輸出。與平均功率跟蹤技術(shù)相比，包絡(luò)追蹤技術(shù)能夠讓功放的供電電壓隨輸入信號的包絡(luò)變化，以改善射頻功率放大器的能效。
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射頻前端的發(fā)展趨勢和市場分析
3.1 發(fā)展趨勢
射頻前端各種器件與基帶一起配合工作，共同決定了手機(jī)的通信模式、能力及性能。隨著5G的大面積部署，手機(jī)需要支持越來越多的通信頻段，也就需要相應(yīng)更多的射頻前端器件。通信技術(shù)從2G發(fā)展到5G，手機(jī)射頻前端最大的變化在于支持的頻段增加。2G 時代，通信制式只有GSM和CDMA兩種，射頻前端多采用分立器件模式，手機(jī)支持的頻段不超過5個；3G時代，由于手機(jī)需要向下兼容2G制式，多模的概念產(chǎn)生了，手機(jī)支持的頻段最多可達(dá)9個；4G時代的全網(wǎng)通手機(jī)能夠支持的頻段數(shù)量猛增到40個上下，5G將進(jìn)一步增加。
圖6 iPhone12支持的移動頻段數(shù)量已遠(yuǎn)超40個
圖7 智能手機(jī)中使用的射頻器件數(shù)量
當(dāng)前手機(jī)越來越輕薄，越來越大的電池容量，內(nèi)部留給射頻前端空間原本就相當(dāng)有限，每個頻段都需要一套濾波器、功率放大器等，數(shù)十個細(xì)小的零部件單獨(dú)部署且滿足隔離度要求，難度可想而知。持續(xù)增加的射頻前端數(shù)量和手機(jī)內(nèi)部可用PCB板面積也越趨緊張，這都促進(jìn)了射頻前端的模組化發(fā)展，越來越多的分立器件、射頻芯片通過SiP技術(shù)封裝在一顆大芯片里。
圖8 主板上留給射頻部分的空間愈發(fā)狹小
射頻前端模組將射頻開關(guān)、低噪聲放大器、濾波器、雙工器、功率放大器等兩種或者兩種以上的分立器件集成為一個模組，從而提高集成度與性能并使體積小型化。根據(jù)集成方式的不同可分為DiFEM（集成射頻開關(guān)和濾波器）、LFEM(集成射頻開關(guān)、低噪聲放大器和濾波器)、FEMiD（集成射頻開關(guān)、濾波器和雙工器）、PAMiD（集成多模式多頻帶PA和FEMiD）等組合。
從射頻巨頭博通公司的發(fā)展來看，2007~2010年主要是分立的射頻前端器件，2011~2013年是單顆PA模組，2014年以來持續(xù)升級，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多頻段PA模組整合。與此同時，Skyworks、Qorvo、村田、高通等射頻前端芯片大廠均已推出不同品類射頻前端模組產(chǎn)品。
圖9 從分立器件到射頻模組的不斷演進(jìn)
以Qorvo某款PA模組為例，在一顆大SiP封裝內(nèi)，包含有12個濾波器、3個PA、1個控制芯片、1個天線開關(guān)和3個射頻開關(guān)。
2021年6月25日，中移動終于對外釋放了48萬700M的5G基站的采購，這對通信行業(yè)是件遲來大事情。但對于終端來說，較之700M，未來5G毫米波的商業(yè)化引入才是對手機(jī)設(shè)計的極大挑戰(zhàn)。5G毫米波之所以成為毫米波，是因?yàn)閹资瓽Hz的頻率導(dǎo)致其波長已經(jīng)縮減到了毫米級。波長的大幅度減小帶來的問題是電磁波繞射能力變差，衰減變得異常明顯。
為改善高頻帶來的衰減問題，從空間傳播上可以用MIMO多天線和波束賦形來解決，但是在手機(jī)內(nèi)部為了保證信號的完整性，需要將射頻前端盡可能靠近毫米波天線，而毫米波天線的小尺寸，給天線和射頻前端、收發(fā)器等器件共同封裝提供了可能，狹長的芯片形狀便于直接嵌入手機(jī)邊框里。
圖10 高度集成化的5G毫米波天線模組
如上圖，高通最新發(fā)布的毫米波天線模組里面包含了超小尺寸的相控天線陣列，該天線模組支持波束賦形、控制和跟蹤，大大改善了毫米波信號的傳輸范圍和可靠性。當(dāng)然，毫米波天線模組相較于過去非標(biāo)準(zhǔn)化的天線，這種標(biāo)準(zhǔn)化會帶來了諸多便利，但依然要面對手機(jī)內(nèi)部狹小空間的布局挑戰(zhàn)。
3.2 行業(yè)市場分析
隨著5G時代帶來的射頻數(shù)量和價值提升，據(jù)Yole的統(tǒng)計與預(yù)測，2019年射頻前端市場為167億美元，到2025年將有望超過250億美元。單臺手機(jī)射頻前端成本從 2G時代的約3美元，增加到3G時代的8美元、4G時代的28美元，5G時代射頻模組的成本已超過40美元。
圖11 3G/4G/5G手機(jī)射頻前端數(shù)量和成本對比
當(dāng)前全球射頻前端芯片幾乎被美日壟斷，主要供應(yīng)商集中在博通Broadcom（Avago）、思佳訊skyworks、威訊Qorvo、村田murata等美國和日本公司。從當(dāng)前市場份額來看，Skyworks、村田、Qorvo、博通以及高通已然占據(jù)射頻前端市場的80%以上。
圖12 2019年射頻前端市場份額
在射頻前端芯片廠商中，也只有Skyworks、Qorvo等少數(shù)國際大廠有能力覆蓋了射頻前端的全部品類。國際領(lǐng)先企業(yè)起步較早，底蘊(yùn)深厚，在技術(shù)、專利、工藝等方面具有較強(qiáng)的領(lǐng)先性，同時通過一系列產(chǎn)業(yè)整合擁有完善齊全的產(chǎn)品線，并在高端產(chǎn)品的研發(fā)實(shí)力雄厚。另一方面，大部分企業(yè)以IDM模式經(jīng)營，擁有設(shè)計、制造和封測的全產(chǎn)業(yè)鏈能力，綜合實(shí)力強(qiáng)勁。高通借助5G優(yōu)勢，相應(yīng)推出了5G射頻前端相關(guān)產(chǎn)品，尤其可以提供從基帶到射頻前端、天線完整一體化參考設(shè)計方面取得較大突破。
圖13 OEM手機(jī)廠商射頻前端主要供應(yīng)鏈企業(yè)
如上圖，一眼望去，射頻供應(yīng)鏈幾乎被美日企業(yè)占據(jù)。相比之下，國內(nèi)射頻芯片公司由于起步較晚，基礎(chǔ)薄弱，并且主要集中在無晶圓設(shè)計領(lǐng)域。較之國際領(lǐng)先企業(yè)在技術(shù)積累、產(chǎn)業(yè)環(huán)境、人才培養(yǎng)、創(chuàng)新能力等方面仍有明顯滯后，短時間內(nèi)與美國、日本、歐洲等廠商仍存在較大差距。
隨著5G的到來，加速了未來射頻芯片設(shè)計研發(fā)的主要方向，即追求低功耗、高性能、低成本為其技術(shù)升級的主要驅(qū)動力。國內(nèi)以卓盛微等為代表的國內(nèi)射頻前端廠商，近些年在在射頻開關(guān)、LNA（低噪聲放大器）方面已取得明顯突破，憑借其產(chǎn)品的高性價比優(yōu)勢，射頻開關(guān)、LNA芯片已覆蓋全球領(lǐng)先手機(jī)品牌如三星、小米、華為、vivo、OPPO等，打破了射頻領(lǐng)域的壟斷局面。濾波器、功率放大器等關(guān)鍵領(lǐng)域，卓盛微、唯捷創(chuàng)芯、漢天下、信維通信等國內(nèi)數(shù)家企業(yè)也開始涉足并已取得明顯進(jìn)步。
在當(dāng)前國際大環(huán)境下，科技力爭自主已然成為業(yè)內(nèi)共識，尤其在5G戰(zhàn)略窗口期，盡管國內(nèi)射頻芯片廠商產(chǎn)品尚有差距，但至少有時間有機(jī)會可以從相對成熟的分立射頻器件起步，得以慢慢積累實(shí)力。筆者相信，在不遠(yuǎn)的將來，國產(chǎn)射頻產(chǎn)品一定會成為全球射頻領(lǐng)域的排頭兵，可以做到真正意義的國產(chǎn)替代。
－ The End －
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