深入解读高端智能手机芯片里的“外交官”-射频前端

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进入3G/4G/Pre-5G时代,射频前端,一个手机SoC里不起眼的小角色,开始在高端智能手机市场挑大梁。一旦连上移动网络,任何一台智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、在线购物,这完全是射频前端进化的功劳,手机每一个网络制式(2G/3G/4G/WiFi/GPS),都需要自己的射频前端模块,充当手机与外界通话的桥梁——手机功能越多,它的价值越大。

射频前端与智能终端一同进化

射频前端(RFFE:Radio Frequency Front End)模块是移动终端通信系统的核心组件,对它的理解可以从两方面考虑:一是必要性,它是连接通信收发器(transceiver)和天线的必经之路;二是重要性,它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式,以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标,直接影响终端用户体验。

如下图所示,射频前端芯片包括功率放大器(PA:Power Amplifier),天线开关(Switch)、滤波器(Filter)、双工器(Duplexer和Diplexer)和低噪声放大器(LNA:Low Noise Amplifier)等,在多模/多频终端中发挥着核心作用。

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除通信系统以外,手持设备中的无线连接系统(Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等)对射频前端芯片也有较强的需求。

射频前端之所以越来越复杂,一个主要驱动因素是终端产品,由于终端产品多模、多频段的趋势导致。观察下图,一款4G全网通手机的PCB板上,囊括数十颗射频芯片,顶级终端所占比例更大。

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Mobile Expert数据显示,2020年整个全球射频前端市场会达到180亿美元,2015年到2020年复合增长率达到13%,其中很重要的一块增长就是来自于滤波器、双工器。

滤波器、双工器之所以成为增长来源,是因为随着频段增多而增加:按照一个双工器包含两个滤波器的规格,在2015年,一个顶级智能手机里大概支持15个频段,包含50个滤波器。预计到2020年,一个顶级智能手机中将支持30-40个频段来覆盖全球频段,目前市场上最顶级的智能手机已经支持30多个频段,它包含的滤波器可以到100个以上。

除此之外,射频前端为何市场前景广阔?答案也是因为频段+载波聚合组合的增长。

关于频段。2G/3G时代,频段极少,2G年代GSM是4个频段,3G年代TD-SCDMA是2个频段、CDMA在中国是一个频段,当时射频前端的复杂性较低,价值也较低。

到4G时代早期,“五模十三频”、“五模十七频”等概念成为厂商宣传热点,可以作为手机核心竞争力——通信制式的兼容。那时候,频段增加到16个,全球全网通频段增至49个,3GPP新增的600MHz频段编号达到71个,如果纳入5G毫米波那么频段还会增加。

关于载波聚合。从2015年最开始的两个载波,增至现在的3-4个载波,预计2017年将会提出超过1000个频段组合的需求。

以上两者都需要射频前端的能力。

摆在射频前端厂商面前的难题

尽管射频前端前景广阔,但很多射频前端厂商在工艺设计上犯了难。IHS Markit近期发布的报告指出,自LTE设备诞生以来,射频前端的复杂性显著增加;设备其他功能的改进,导致了一个更具挑战性的设计环境。

一方面,高端智能手机不断推陈出新,屏幕越来越大、机身越来越轻薄,这些变化直接导致射频前端组件的物理空间减少;另一方面,考虑到大尺寸屏幕对电池续航的影响,射频前端的设计要比以往更重视电源使用效率;第三,网速越来越快,射频前端模块正在变得越来越复杂。

尽管射频前端的复杂程度增加,然而设备PCB上留给此功能区的空间一直以来却在减少。过去几年,高端智能手机已经从仅支持有限的射频频段转为单一SKU,支持34个频段的智能手机,为了尽可能在有限的空间容纳扩展频段,射频前端越来越模块化,比之前集成了更多的PA、滤波器、双工器、开关和LNA部件,随着PCB上元器件密度越来越高,元器件间的干扰逐渐成为一个不可忽视的问题,如何对每个射频元器件实施充分有效的隔离,成为相关厂商的第二个挑战。

一个集成化的解决方案是关键

纵观射频前端芯片市场,器件主要分为两类,一类是使用MEMS工艺制造的滤波器,以声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)为代表,第二类是使用半导体工艺制造的电路芯片,以功率放大器(PA)和开关电路(Switch)为代表。

SAW和BAW市场都不缺玩家,而高通给出的答案是:做一个集成化的射频前端解决方案,或许能成为高端智能手机的救星。

稍早前,高通与TDK株式会社成立了合资企业RF360控股公司。今年2月份,高通推出了全新的射频前端解决方案,被高通称作“从调制解调器到天线”的完整解决方案:

1、完整的射频前端核心技术。通过与TDK成立的合资公司,高通拥有包括表面声波(SAW)、温度补偿表面声波(TC-SAW)和体声波(BAW)在内的一系列全面的滤波器和滤波技术,另外也拥有像做开关产品或天线调谐的SOI技术,还有低噪声放大器(LNA)技术。

2、先进的模块集成功能。与SoC不同,射频前端的集成是做SIP(System In Package,系统级封装),通过与TDK合作,高通加强了模组集成能力,可以提供集成化方案。

3、高通具有自己的调制解调器(modem),这是其与第三方射频元器件厂商相比,所拥有的重要差异化优势,从而能提供一套系统化解决方案。

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值得一提的是,高通的整合解决方案还支持载波聚合的TruSignal自适应天线调谐技术。TruSignal可被看作是三项技术的总称:第一是主分集天线切换,它是用来解决手机“死亡之握”的问题——手机的主天线一般是在手机的下方,当人们用手握住它的时候,信号会掉得非常快,当下方主天线被握死时,它可以将天线切换到上面的分集天线去;第二是天线调谐——天线调谐技术又包含两类,一类叫孔径调谐,一类叫阻抗调谐,通过调谐天线的匹配,可以解决天线和PA之间的适配问题;第三是高阶分集接收——通过增加分集来提升接收性能,以及接收的下行速率。

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三个技术配合在一起,好处多多。第一是通话可靠性和通话质量:当天线性能提升之后,信号质量提升,通话的可靠性和质量自然提升了,经过高通实测,通话掉话率最高可以减少30%;第二是更快的数据传输速率,实测数据显示数据传输速率可以提高49%;第三是在同样的传输速率、同样的吞吐率情况下,电池续航时间可以提高,当天线效率得到提升之后,在同样的速率下,需要的输出功率变少,电池的续航时间就变长了。

完整的射频前端解决方案,可以使OEM厂商、最终消费者和运营商获得共赢。骁龙835/660/630移动平台均引入了射频前端技术。而作为首批实现先进射频特性的国产智能手机之一,一加手机5已经率先支持包括载波聚合功能和包络追踪等的TruSignal技术,充分提升了数据传输速率、覆盖、电池寿命、通话质量和通话可靠性。

 

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