聚焦于下一代智能手機的射頻系統(tǒng)設(shè)計方案解讀

隨著移動行業(yè)向下一代網(wǎng)絡(luò)邁進，整個行業(yè)將面臨射頻組件匹配，模塊架構(gòu)和電路設(shè)計上的挑戰(zhàn)。

直到早期的LTE網(wǎng)絡(luò)部署，射頻系統(tǒng)的設(shè)計涉及較少數(shù)量的前端組件，也因此相對的簡單與直接。當無線網(wǎng)絡(luò)開始升級成LTE-Advanced，射頻前端的設(shè)計愈發(fā)復(fù)雜。與此同時，載波聚合、多輸入多輸出（MIMO）、多樣性接收模塊和包絡(luò)跟蹤等各類技術(shù)讓4G網(wǎng)絡(luò)變得更加高效和穩(wěn)定。

全球眾多的LTE頻段組合早已增加射頻設(shè)計的復(fù)雜性。為了支持繁多的頻段與頻段組合，移動設(shè)備需要更多的射頻組件。由于智能手機內(nèi)部設(shè)計的局限性，加上手機電源與整體外形設(shè)計上的限制，射頻前端需要精心設(shè)計才能夠優(yōu)化設(shè)備的整體性能并減少信號的干擾。該設(shè)計要避免對手機的工業(yè)設(shè)計、可靠性和功能性造成任何負面影響，同時需要支持手機的創(chuàng)新特性與功能。

隨著整個行業(yè)向LTE-Advanced Pro與5G邁進，射頻前端的設(shè)計將變得更為復(fù)雜。新的無線網(wǎng)絡(luò)需要更多的射頻前端功能，包括高階MIMO與Massive MIMO、智能天線系統(tǒng)以及復(fù)雜的濾波功能。目前一臺支持雙載波聚合的高端智能手機的射頻前端組件數(shù)量已經(jīng)是一臺標準的3G智能手機的七倍之多，而且這個數(shù)量預(yù)計會隨著無線網(wǎng)絡(luò)升級成LTE-Advanced Pro與5G而翻倍。

恰到好處的設(shè)計考量

雖然射頻前端的設(shè)計日益復(fù)雜，但智能手機的射頻組件靠以下三種方式減少了物理空間的使用：

·縮小面積的半導(dǎo)體工藝：這個工藝的發(fā)展讓一些分立組件的體積在過去幾年中大幅度縮小。一反以往，砷化鎵（GaAs）和硅鍺（SiGe）等的新材料的出現(xiàn)已經(jīng)使功率放大器（PA）的尺寸減小。與此同時，目前的收發(fā)器和低噪聲放大器（LNA）的尺寸也因采用28納米及以下的縮小面積的半導(dǎo)體工藝而減少。

·先進的封裝技術(shù)：芯片級聲表封裝（Chip-Sized SAW Packaging，CSSP）、裸片級聲表封裝（Die-Sized SAW Packaging，DSSP）、薄膜聲學(xué)封裝技術(shù)（Thin-Film Acoustic Packaging，TFAP）、CuFlip以及晶圓級封裝（Wafer-Level Packaging，WLP）等新型封裝技術(shù)使許多射頻前端組件，包括濾波器，雙工器和多路復(fù)用器，得以大幅度縮小。除了組件級小型化之外，這些技術(shù)還在系統(tǒng)級別上，通過減少材料清單和簡化與其他組件（包括天線開關(guān)和收發(fā)器）的集成，節(jié)省了大量成本。

·增加組件的物理集成：Qorvo等供應(yīng)商所推出的集成解決方案不斷地加速主要射頻前端組件，如濾波器，PA，雙工器和交換機的集成和模塊化。這些方案通過集成某些組件于同一封裝來縮小射頻前端的尺寸，對減少總體尺寸至關(guān)重要。

物理集成的概念正在通過新的封裝解決方案進一步擴展。其中，與雙工器集成的前端模塊（FEMiD）及與雙工器集成的PA模塊（PAMiD）將各種組件，如PA，開關(guān)，發(fā)射機的低通濾波器和接收器的SAW濾波器集成到前端模塊。由于各類射頻組件的異構(gòu)性質(zhì)和信號干擾，并非所有組件都適合集成，但這些新型集成模塊有助于降低復(fù)雜性，并減少使用空間。

此外，瞄準單一市場的入門級智能手機中所采用的分立組件設(shè)計與銷售全球的高端智能手機中所采用的射頻前端設(shè)計有著非常明確的界線。顯然，后者更高級別的組件集成和精細設(shè)計能提供更卓越的性能與表現(xiàn)。多數(shù)的大型OEM廠商越來越多地為其旗艦機型采用單一的射頻前端，以降低運營成本并優(yōu)化用戶體驗。目前受到廣泛采用的是PAMiD。與此同時，OEM廠商也不愿意設(shè)計大量瞄準單一市場的智能手機型號。因此，F(xiàn)EMiD的采用讓廠商能針對不同的區(qū)域市場設(shè)計手機，通過模塊的輕松替換來支持不同頻段組合。

射頻前端日益復(fù)雜化，與其相關(guān)組件數(shù)量的日益增長，都將顯著影響到智能手機的工業(yè)設(shè)計。手機廠商必須確保其設(shè)備能夠?qū)⑦@些高端技術(shù)及其對射頻前端的要求集成到智能手機中，而不會影響以下任何一個方面：

·上市時間

·價錢

·性能

·能量消耗

·成熟的設(shè)計元素（例如尺寸，薄度，顯示尺寸，金屬外殼的采用等）

對智能手機供應(yīng)商而言，任何重大延誤都可能是災(zāi)難性的。隨著智能手機市場的日益成熟以及持續(xù)的激烈競爭，如何保持競爭力對于OEM廠商至關(guān)重要。更重要的是，OEM廠商對下一代無線網(wǎng)絡(luò)寄予厚望，期望通過網(wǎng)絡(luò)的提升刺激手機升級的需求并且加速更換周期。

毋庸置疑，無線網(wǎng)絡(luò)的提升也給所有在價值鏈上的企業(yè)帶來更多的挑戰(zhàn)。由于射頻前端日益復(fù)雜，射頻前端架構(gòu)及組件的供應(yīng)商等企業(yè)都在積極尋求最優(yōu)良的和具有成本效益的管理與解決方案。因此，能提供射頻前端標準模塊以及端到端解決方案的供應(yīng)商的出現(xiàn)對OEM廠商而言猶如久旱逢甘霖，大大加快他們的射頻前端設(shè)計流程和手機上市時間。正如ABI Research的Teardown服務(wù)中的智能手機型號分析，射頻系統(tǒng)增強與其硅片面積是相聯(lián)系的。換言之，有著相同的射頻設(shè)計的射頻板，其面積會隨著系統(tǒng)對新功能的支持與新組件的加入而相應(yīng)地顯著增加。然而，使用精密設(shè)計的射頻系統(tǒng)可以使射頻板面積更緊湊，體積更小。很顯然的，射頻前端的復(fù)雜性讓大部分的手機廠商大吃苦頭，而且整個行業(yè)到目前為止仍然缺乏標準的實施方案。其中主要的問題包括如何平衡因前端組件的增加而帶來的顯著功耗和對手機外觀設(shè)計的影響。面對這些挑戰(zhàn)，有些手機廠商甚至選擇延遲推出新型號手機，為了爭取更多的時間來確保手機正常操作，避免最后淪落為虛有其表的產(chǎn)品。

與OEM制造商恰恰相反，射頻組件供應(yīng)商則為了滿足智能手機廠商和運營商的要求，選擇生產(chǎn)定制產(chǎn)品，進而影響他們的整體利潤。通過射頻供應(yīng)鏈一系列的合理化，這種業(yè)務(wù)上的威脅開始有所緩和，例如TriQuint Semiconductor和RF Micro Devices合并成為Qorvo。預(yù)計未來幾年，更深入的射頻系統(tǒng)集成以及對市場份額的競爭將迎來更多的行業(yè)整合和合作。

射頻市場的領(lǐng)先地位將取決于組件和系統(tǒng)級的創(chuàng)新和整合

顯然的，射頻組件的硬件集成對于將下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶入智能手機參考設(shè)計扮演著關(guān)鍵的角色。除非將來射頻行業(yè)里出現(xiàn)更多的合作和針對性整合，手機廠商將面臨射頻技術(shù)上巨大的挑戰(zhàn)，特別是隨著更高級別的載波聚合、4×4 MIMO與5G的通訊技術(shù)在智能手機里的廣泛應(yīng)用，還有隨之而來的工業(yè)設(shè)計和電源管理方面的難題。

雖然全面和高性能的射頻組件和模塊的重要性是不置可否的， 它們?nèi)匀晃幢淮蟛糠值囊苿釉O(shè)備所采用。如果要讓下一代的移動設(shè)備能具備更多新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與功能，整個行業(yè)需要更多與射頻有關(guān)的創(chuàng)新。隨著市場向LTE-Advanced Pro和5G邁進，組件的物理集成并不足以應(yīng)對射頻前端所面臨的挑戰(zhàn)。高度集成的射頻前端系統(tǒng)設(shè)計將是促進這一轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。

毫無疑問，射頻前端系統(tǒng)設(shè)計和平臺化對于智能手機能否承載更多異構(gòu)組件至關(guān)重要。這些異構(gòu)組件，如MIMO系統(tǒng)，智能天線系統(tǒng)和波束跟蹤器，在下一代網(wǎng)絡(luò)扮演著不可或缺的角色。隨著射頻系統(tǒng)在下行鏈路和上行鏈路層變得更加復(fù)雜，新的系統(tǒng)集成技術(shù)，例如包絡(luò)跟蹤器和動態(tài)天線調(diào)諧器的集成將成為提高整個射頻系統(tǒng)性能的必要條件，再加上更多的頻譜帶，包括C波段、mm波和cm波將被開啟以支持5G，射頻解決方案和設(shè)計的未來商機和挑戰(zhàn)更是不言而喻。

與此同時，供應(yīng)商們也必須抓住機會提供先進的射頻前端系統(tǒng)設(shè)計，不僅是核心的射頻前端技術(shù)和先進的模塊集成，還提供調(diào)制解調(diào)器到天線的射頻解決方案。這些高端解決方案將有助于滿足智能手機行業(yè)的迫切需求，使OEM廠商們能夠更專注于客戶體驗，為客戶們及時提供更可靠的設(shè)備。這些方案也能讓OEM廠商們不用花太多的精力處理日益增長的射頻前端組件及其供應(yīng)商們。

所有的供應(yīng)商必須能夠為智能手機廠商提供創(chuàng)建下一代設(shè)備的利器。因此，預(yù)計在未來12個月內(nèi)，主要供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商將不斷合并單一產(chǎn)品的廠商和部分組件供應(yīng)商。劇烈的市場競爭也可能導(dǎo)致一些射頻組件供應(yīng)商退出智能手機市場。