智能手機(jī)是當(dāng)今世界上使用最廣泛、最通用的電子設(shè)備之一 ，在過(guò)去的十年里已經(jīng)獲得了巨大的普及，現(xiàn)在 已經(jīng)成為數(shù)字世界的主要溝通媒介。在某些情況下，特別是在發(fā)展中國(guó)家，智能手機(jī)可能是用戶唯一具有計(jì) 算功能的設(shè)備。就在10年前，上市的智能手機(jī)還不足400萬(wàn)部。與之形成對(duì)比的是，IHS Markit預(yù)計(jì)自2017年 起，全球智能手機(jī)每年的出貨量將超過(guò)15億部。如今市場(chǎng)上用戶更關(guān)注的功能，如屏幕、相機(jī)、內(nèi)存、處理 器和軟件等。然而，RFFE射頻前端(射頻收發(fā)器與天線之間的器件)的功能通常會(huì)被忽略，而它的功能實(shí)際上 正是智能手機(jī)具有移動(dòng)性的關(guān)鍵。射頻性能可以成為極佳移動(dòng)寬帶體驗(yàn)的推動(dòng)者，或者成為一個(gè)阻礙者。

　　

 

　　自從廣泛采用LTE技術(shù)以來(lái)，射頻前端(RFFE)一直在支持越來(lái)越多的頻段和空中接口制式，同時(shí)克服了智能 手機(jī)設(shè)計(jì)中其他部分造成的尺寸和成本限制。

　　從2G到3G技術(shù)的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了RFFE的復(fù)雜性呈幾何級(jí)數(shù)式增長(zhǎng);從3G到4G的轉(zhuǎn)變，更使得RFFE的復(fù)雜性呈 指數(shù)式增長(zhǎng)，除了增加頻段，還增加了4x4 MIMO的天線架構(gòu)和載波聚合。與此同時(shí)，在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的環(huán)境

　　中，OEM廠商可能會(huì)把重點(diǎn)放在前面提到的拍照等功能上，而當(dāng)這些功能比以往任何時(shí)候都更受關(guān)注的時(shí)候， OEM廠商對(duì)射頻前端的興趣反而可能會(huì)更小。

　　根據(jù)IHS Markit無(wú)線半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)研究報(bào)告的數(shù)據(jù)顯示，移動(dòng)手機(jī)射頻前端器件市場(chǎng)的規(guī)模已從2010年的43億 美元增長(zhǎng)到2017年的約134億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)17.7%。在這段時(shí)間里，射頻器件市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度是整 個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)的5倍，這一驚人的成就凸顯了RF前端的重要性和復(fù)雜性。

　　為了揭示智能手機(jī)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一個(gè)方面——RF前端，IHS Markit將推出一系列RFFE的深度分析。這些文 章將討論器件集成的趨勢(shì)，與日俱增的復(fù)雜性，以及隨著市場(chǎng)進(jìn)一步向采用4G+和5G技術(shù)發(fā)展所需要優(yōu)異射 頻性能的一些關(guān)鍵技術(shù)屬性。本文是本系列的第一篇。

　　LTE的進(jìn)步推動(dòng)了射頻器件市場(chǎng)的發(fā)展

　　隨著支持LTE的頻帶數(shù)量的增加，諸如載波聚合之類的技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，從而推動(dòng)更高的數(shù)據(jù)傳輸率。載波聚合 是單個(gè)射頻頻帶的組合，可以為給定的設(shè)備創(chuàng)建更寬的帶寬和更快的下載速度和上傳速度。這一技術(shù)隨著高 級(jí)版LTE，基本是LTE Cat 4 及以上的出現(xiàn)而出現(xiàn)。從Cat 4 LTE開(kāi)始，設(shè)備可以達(dá)到150Mbps或更高的數(shù)據(jù) 速率。最新的可用調(diào)制解調(diào)器是Cat-16 LTE，可以將數(shù)據(jù)速率提高到大約1Gbps。明年，Cat18設(shè)備甚至能達(dá) 到1.2Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。為了實(shí)現(xiàn)這些非凡的速度，移動(dòng)設(shè)備必須支持更多的發(fā)送和接收通道，額外的接 收通道因?yàn)椴捎?x4 MIMO設(shè)計(jì)而變得更加復(fù)雜且需要支持越來(lái)越多的載波聚合組合。隨著高階版LTE進(jìn)化到 高階版LTE Pro, 載波聚合組合的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，2015年只有200種CA組合，兩年后，這一階段的組合數(shù) 量將超過(guò)1000種。

　　

 

　　防止SKU激增的器件集成

　　10年前，智能手機(jī)只需要支持大約5個(gè)頻段，就能被認(rèn)為是“全球通手機(jī)”，而現(xiàn)在的LTE制式大約有50個(gè)頻段， 甚至還沒(méi)算上可能的載波聚合組合。就在幾年前，OEM廠商還可以在全球范圍內(nèi)發(fā)布單一SKU智能手機(jī)，盡 管這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。如今發(fā)布的大多數(shù)智能手機(jī)都至少有2到4個(gè)版本，以解決支持全球所有主要網(wǎng)絡(luò)的 問(wèn)題。蘋(píng)果是唯一一家通過(guò)iPhone 4S實(shí)現(xiàn)全球單一SKU的高端智能手機(jī)OEM廠商，但這可能是高產(chǎn)量設(shè)備實(shí) 現(xiàn)這一目標(biāo)的最后一次機(jī)會(huì)，尤其是在LTE技術(shù)進(jìn)步的情況下。蘋(píng)果iPhone 4S只需應(yīng)對(duì)相對(duì)較少頻帶的3G技 術(shù)，一旦蘋(píng)果進(jìn)入到LTE時(shí)代，單一SKU不再是一種選擇。2012年9月底新發(fā)布的iPhone 5有三個(gè)不同的型號(hào)， 每個(gè)型號(hào)支持一組不同的LTE頻段。智能手機(jī)留給RF器件的空間有限，為了支持越來(lái)越多的頻段，這些器件 必須彼此集成到模塊中。此外，像功率放大器(PA)這樣的器件不僅必須支持一組頻段，還必須支持多種制式。 這些多制式、多波段的PA被其他器件所包圍，例如集成了RF開(kāi)關(guān)、雙工器和濾波器的前端模塊。

　　

 

　　與今天的旗艦智能手機(jī)相比，看一看早期的LTE智能手機(jī)RF前端的地位，就凸顯了器件集成的重要性。例如， 2012年的三星Galaxy SIII中發(fā)現(xiàn)的主要射頻器件中，只有6%被集成在模塊中，而這些器件占了RFFE物料成 本(BOM)的26%(不包括RF Transceivers)。相比之下，模塊化器件占了三星Galaxy S8 Plus中RFFE BOM的 87%。

　　并不是所有的OEM廠商都會(huì)采用相同的方法來(lái)進(jìn)行射頻器件集成，這取決于智能手機(jī)的目標(biāo)市場(chǎng);他們可能會(huì) 選擇使用分立和集成射頻前端混合的方式。Skyworks、Qorvo和高通等射頻供應(yīng)商提供了各種級(jí)別的集成射 頻器件。對(duì)于專注于入門(mén)級(jí)、本地或運(yùn)營(yíng)定制手機(jī)的OEM廠商來(lái)說(shuō)，他們可能會(huì)選擇在設(shè)計(jì)中使用更多的分 立射頻。然而，即便是區(qū)域性的手機(jī)，模塊化的程度也越來(lái)越高。對(duì)于區(qū)域性的手機(jī)SKU來(lái)說(shuō)， OEM廠商會(huì)

　　使用集成的方式來(lái)處理信號(hào)放大和開(kāi)關(guān)，只會(huì)使用分立的濾波器和雙工器。結(jié)合了開(kāi)關(guān)和濾波器的前端模塊 (FEM)可以在分集接收通道中使用，以方便載波聚合。除了分集接收的前端模塊之外，對(duì)于大多數(shù)全球旗艦智 能手機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，OEM廠商正在轉(zhuǎn)向集成的前端模塊，用于主傳輸和接收部分，其中一些設(shè)計(jì)可以覆蓋由智 能手機(jī)支持的低、中、高頻帶。一般來(lái)說(shuō)在同類設(shè)計(jì)和定價(jià)的智能手機(jī)中，射頻前端的集成水平和射頻部分 的BOM成本之間有直接的關(guān)系。

　　模塊化推進(jìn)，濾波器搖旗吶喊

　　雖然智能手機(jī)中的器件越來(lái)越模塊化，但每個(gè)單元中使用的濾波器的數(shù)量預(yù)計(jì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。對(duì) 于每一個(gè)由手機(jī)支持的射頻頻段，都可以有兩個(gè)或以上的濾波器。因此, 每個(gè)手機(jī)的濾波器數(shù)量 (集成或其他) 將繼續(xù)隨著時(shí)間的推移而增加，一些手機(jī)的單一型號(hào)要支持30多個(gè)LTE頻段，每部手機(jī)可能會(huì)有超過(guò)70個(gè)濾 波器。這是一種持續(xù)化趨勢(shì)，特別是在高端智能手機(jī)市場(chǎng)中。為了使手機(jī)能夠適應(yīng)未來(lái)需要的濾波器的數(shù)量， 射頻濾波器將需要進(jìn)一步集成到模塊中，并整合其他功能，如天線開(kāi)關(guān)和功率放大器。

　　系統(tǒng)級(jí)別的專業(yè)知識(shí):在射頻中獲勝不僅僅需要器件集成

　　由于當(dāng)前的高端智能手機(jī)支持如此多的頻段和制式，因此，對(duì)射頻供應(yīng)商擁有系統(tǒng)級(jí)專業(yè)知識(shí)的需求從未如 此之大。最成功的射頻供應(yīng)商將是那些擁有對(duì)于不同的產(chǎn)品組合的系統(tǒng)級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)能力，包括數(shù)字基帶和天 線。這些供應(yīng)商將能夠滿足客戶最廣泛的需求。這些需求包括生產(chǎn)出性能強(qiáng)大而低功耗的設(shè)備，同時(shí)提供給 智能手機(jī)持續(xù)的最快的下載和上傳速度。此外，OEM廠商必須滿足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的需求，使他們的設(shè)備能 夠盡可能高效地與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。很少有供應(yīng)商能夠?qū)⒄麄€(gè)RF前端功能與他們的產(chǎn)品組合在一起，這是為什 么只有少數(shù)廠商稱霸移動(dòng)手機(jī)射頻器件市場(chǎng)的一個(gè)最主要的原因。

　　在智能手機(jī)市場(chǎng)上，當(dāng)前的集成射頻前端設(shè)計(jì)將成為未來(lái)幾年智能手機(jī)過(guò)渡到支持5G技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著新的 無(wú)線電設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，以及越來(lái)越多的軟件控制，RFFE將不得不支持更廣泛的頻段。射頻頻率的范圍將由 700MHz到5GHz擴(kuò)展為600MHz到60GHz，盡管更高的頻率不具備移動(dòng)性。此外，還會(huì)出現(xiàn)更高階的調(diào)制和 更多的空中接口技術(shù)，這將增加射頻復(fù)雜性。5G帶來(lái)的性能挑戰(zhàn)不能僅由器件集成解決，而是需要在系統(tǒng)級(jí) 別以及RFFE內(nèi)部解決。展望未來(lái)，RFFE必須針對(duì)系統(tǒng)級(jí)別的可調(diào)性進(jìn)行優(yōu)化，而諸如包絡(luò)跟蹤和天線調(diào)優(yōu) 等技術(shù)將是設(shè)備的必需品，以滿足用戶對(duì)性能、能效和電池壽命的更高期望。在本系列的下一篇文章中，IHS Markit將深入研究包絡(luò)跟蹤技術(shù)，闡述其重要性的原因，以及它目前和未來(lái)在全球的LTE設(shè)備中的流行程度。