手機(jī)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(jī)射頻前端的發(fā)展?fàn)顩r、分析新技術(shù)對(duì)射頻前端的影響，通過比較射頻前端和手機(jī)市場的發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)射頻前端市場快速發(fā)展的原因，同時(shí)討論了射頻前端技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，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(duì)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(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2017）07-0005-05

引用格式：詹文浩，戴國華. 手機(jī)射頻前端發(fā)展?fàn)顩r及技術(shù)分析[J]. 移動(dòng)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(jī)終端的發(fā)展，手機(jī)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(jìn)了射頻前端市場的發(fā)展。單一手機(jī)中射頻前端的價(jià)值從早期GSM手機(jī)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(jìn)和5G時(shí)代的到來，射頻前端的價(jià)值甚至有可能超過主芯片。本文將介紹現(xiàn)今手機(jī)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(shì)，分析新技術(shù)對(duì)射頻前端的影響。

2 手機(jī)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(jī)射頻模塊主要包括天線、射頻前端和射頻芯片，主要負(fù)責(zé)高頻無線電波的接收、發(fā)射和處理。其中天線主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)和電磁信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，射頻芯片主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)和基帶信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，射頻前端負(fù)責(zé)將接收和發(fā)射的射頻信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。目前手機(jī)射頻芯片多與基帶芯片集成在主芯片內(nèi)，天線則設(shè)計(jì)為單獨(dú)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(huì)分成多個(gè)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(fù)責(zé)不同射頻通道之間的轉(zhuǎn)換；濾波器負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的濾波；雙工器負(fù)責(zé)FDD系統(tǒng)的雙工切換和接收發(fā)射通道的射頻信號(hào)濾波；PA負(fù)責(zé)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大；LNA負(fù)責(zé)接收通道的射頻信號(hào)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(jī)射頻前端變得越來越重要。全球手機(jī)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(jì)到2020年，手機(jī)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(jī)射頻前端的市場規(guī)模增速將超過手機(jī)出貨量的增速。雖然近年來全球手機(jī)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(jī)射頻前端的市場規(guī)模依然保持了15%以上的增速。單個(gè)手機(jī)終端的射頻前端器件的價(jià)值越來越高，三星、蘋果等旗艦機(jī)型內(nèi)的射頻前端價(jià)值甚至超過12.75美金。

目前全球手機(jī)市場已經(jīng)趨于飽和，預(yù)計(jì)未來將繼續(xù)維持低增速甚至負(fù)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(jī)內(nèi)射頻前端的數(shù)量將會(huì)不斷增加，單個(gè)手機(jī)終端的射頻前端器件的價(jià)值會(huì)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(jī)射頻前端領(lǐng)域技術(shù)較為先進(jìn)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(jī)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(jì)在今后幾年，射頻前端的市場不會(huì)發(fā)生太大的改變，但隨著5G時(shí)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(huì)加入到手機(jī)射頻的市場，對(duì)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(shì)

手機(jī)射頻前端未來的主要發(fā)展趨勢(shì)在于提高集成度。未來的手機(jī)終端的射頻前端數(shù)目將飛速增長，而預(yù)計(jì)手機(jī)的體積并不會(huì)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(dú)的模塊。目前手機(jī)廠商大多選擇搭配多個(gè)射頻前端小模塊，但隨著手機(jī)內(nèi)部空間日益吃緊，射頻前端器件的集成趨勢(shì)也非常明顯，未來射頻前端可能會(huì)以單獨(dú)一個(gè)模塊的形式集成在手機(jī)內(nèi)。

射頻前端另一大發(fā)展趨勢(shì)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(diǎn)。

3 新技術(shù)對(duì)射頻前端的影響分析

從2G功能機(jī)時(shí)代單一的通信系統(tǒng)，到如今智能機(jī)時(shí)代2G、3G、4G、Wi-Fi等眾多的無線通信系統(tǒng)，對(duì)手機(jī)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(duì)射頻前端提出了更多更高的要求，對(duì)射頻前端影響最大的熱點(diǎn)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(jī)終端將支持更多的頻段和制式，意味著手機(jī)需要更多的射頻前端器件。新增支持一個(gè)2G或3G頻段需增加一個(gè)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(gè)LTE頻段則至少需要增加兩個(gè)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(shí)還可能需要增加額外的PA。

如需新增手機(jī)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(hào)放大，目前一個(gè)全網(wǎng)通的手機(jī)至少包括了3顆PA、3個(gè)天線開關(guān)和各種不同頻段的濾波器，射頻前端整體的價(jià)值至少在8美金以上。從2G手機(jī)支持4個(gè)頻段、3G手機(jī)支持9個(gè)頻段，到3GPP R11版本中蜂窩通信系統(tǒng)支持的頻段數(shù)達(dá)到41個(gè)，單款手機(jī)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(jì)會(huì)在50個(gè)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(bǔ)上行帶寬的不足，中國移動(dòng)已預(yù)計(jì)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(duì)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(duì)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(shí)，頻段A和頻段B通過天線開關(guān)進(jìn)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?yàn)榈皖l和中高頻的頻率相差較大，所以可通過一個(gè)雙信器將接收信號(hào)分流成低頻和中高頻兩部分，以達(dá)到CA的目的。但當(dāng)兩個(gè)頻段的頻率較為接近時(shí)，就無法通過雙信器進(jìn)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(gè)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(hào)分流功能。四工器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，因此價(jià)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(yùn)營商均已商用或計(jì)劃商用下行3CA，其中中國移動(dòng)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(duì)射頻前端的影響會(huì)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(shí)的射頻前端解決方案，接收信號(hào)先通過雙信器分為低頻和中高頻兩路，中高頻信號(hào)再通過四工器進(jìn)一步分流為B1和B3兩路信號(hào)，以此達(dá)到3CA的目的，此方案實(shí)現(xiàn)較為簡單，但新增的雙信器會(huì)使接收信號(hào)造成損耗，需通過提高低噪聲放大器的功能來彌補(bǔ)。圖6（b）為雙天線時(shí)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(duì)于射頻前端的影響主要在于PA，由于手機(jī)一般會(huì)有高、中、低頻三個(gè)PA模塊，因此當(dāng)CA的兩個(gè)頻段不在同一頻域內(nèi)時(shí)，PA數(shù)目可不發(fā)生改變，射頻前端不需要有額外改動(dòng)，但當(dāng)兩個(gè)頻段同為低頻或中頻時(shí)，則需新增相應(yīng)頻段的PA。兩個(gè)PA同時(shí)工作時(shí)終端功耗會(huì)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(shí)代的核心技術(shù)。目前4×4MIMO要求在手機(jī)端采用4根天線進(jìn)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(shí)代的手機(jī)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(huì)更加龐大。

3.4 高頻通信

高頻通信是5G時(shí)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(jī)上實(shí)現(xiàn)高頻通信。高頻通信的出現(xiàn)將對(duì)手機(jī)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(shí)會(huì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于LTE的信道帶寬，因此對(duì)天線、濾波器和PA的性能要求會(huì)更高。

4 結(jié)束語

在手機(jī)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(gè)較快的增速和良好的發(fā)展勢(shì)頭，射頻前端已成為手機(jī)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(jìn)一步推動(dòng)射頻前端的發(fā)展。而隨著5G時(shí)代的臨近，射頻前端也將面臨更大的發(fā)展機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)。

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