关于手机射频芯片知识分析 (手机射频元器件)

射频前端模块（RFFEM：RadioFrequencyFrontEndModule）是*通信*的核心组件，对它的理解要从两方面考虑：一是必要性，是连接通信收发芯片（transceiver）和天线的必经通路；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。　　如图1所示，射频前端芯片包括功率放大器（PA：PowerAmplifier），天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer和Diplexer）和低噪声放大器（LNA：LowNoiseAmplifier）等。

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　　简述PA、Switch、Filter、Duplexer和Diplexer　　1、功率放大器（PA）　　PA直接决定了*监听通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频*中除基带外最重要的部分。定位器里面PA的数量随着2G、3G、4G、5G前向兼容，以及由此带来的频段的增加而增加，以PA模组为例，4G多模多频*所需的PA芯片增至5-7颗，StrategyAnalytics预测称5G时代定位器内的PA或多达颗之多。就工艺材料来说，现在砷化镓PA是主流，CMOSPA由于参数性能的影响，只用于低端市场。4G特别是例如高通等LTEcat，4xMHZ的载波聚合技术，对PA线性度高Q值得要求，会进一步依赖砷化镓PA。同时，据Qorvo预测，随着5G的普及，8GHz以下砷化镓PA仍是主流，但8GHz以上氮化镓有望在*市场成为主力。射频前端功能组件围绕PA芯片规划、集成和演化，形成*于主芯片的前端芯片组。随着监听通讯协议的复杂化及射频前端芯片规划的不断演进，PA规划厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中，形成多种功能组合。根据实际情况，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+Duplexer）、MMPA（多模多频PA）等多种复合功能的PA芯片类型。　　2、滤波器（Filter）/双工器（Duplexer）　　RF滤波器包括了SAW（声表面滤波器）、BAW（体声波滤波器）、MEMS滤波器、IPD（IntegratedPassiveDevices）等，而双工器是包含Rx和Tx滤波器。SAW、BAW滤波器的性能（*损耗低、Q值高）是现在定位器使用的主流滤波器。SAW运用上限频率为2.5GHz~3GHz，BAW运用频率在2.0GHz以上。　　对SAW来说，技术趋势是小型片式化、高频宽带化、降低*损耗。采用更小尺寸，包括倒装（flipchippackaging）和WLP（晶圆级封装）、WLCSP（WaferLevelChipScalePackaging）技术正在运用，同时更高通带率、Highisolation，Highselectivity以及更低*。　　与SAW相比，BAW性能更好，成本也更高，但是当频段越来越多，甚至开始运用载波聚合的时候，就必须得用BAW技术才能搞定频段间的相互干扰问题。BAW所需的制造工艺步骤是SAW的倍，但因它们是在更大晶圆上制造的，每片晶圆产出的BAW器件也多了约4倍。即便如此，BAW的成本仍高于SAW。随着技术的演进，BAW可能会逐步替代SAW。　　从集成角度，滤波器/双工器除了与PA集成外，也会考虑与开关的集成，如图所示。　　3、天线/开关（Antenna/Switch）　　天线是在*射频前端方面，我国具有最大自主知识产权的领域。MIMO技术的使用普及为天线带来巨大增量市场，估计到年，MIMOx8将成为标准配置，即基站端采用根天线，定位器采用8根天线。现在市场上多数定位器仅仅支持MIMO2x2技术，定位器天线数量需要增3倍。5G将引入高频率频段，天线的规划方案将由现有的单体天线改为阵列天线，新型磁性材料及LTCC集成技术将是5G天线的核心技术。　　在调谐及开关方面，需要特别强调的是MEMS开关的使用。如CavendishKinetics公司的MEMS调谐及开关技术，其第一代射频MEMS天线调谐器产品，已经被各种智能*采用。　　除通信*以外，手持设备中的监听连接*（Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等）对射频前端芯片也有较强的需要，如图2所示。　　从“五模十七频”说起，回溯2G到4G定位器频段发展　　在4G普及的过程中，“五模十三频”、“五模十七频”等概念成为高端*芯片的重要标志，也成为*厂商重要的宣传热点。这并非是简单的营销噱头，而体现了智能定位器兼容不一样通信制式的能力，是*通信性能的核心竞争力指标。　　在过去的十年间，定位器通信行业经历了从2G（GSM/CDMA）、2.5G（Edge）到3G（WCDMA/CDMA/TD-SCDMA），再到4G（FDD-LTE/TD-LTE）两次重大产业升级。伴随4G时代而来的是定位器运用频段的指数级增长，图3给出了到现在为止3GPP公布的E-UTRA（EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess，演进的陆地监听接口）所有的频段分布：　　其中，GSM运用的频段为Band2/3/5/8，W-CDMA运用的频段为Band1/2/5，TD-SCDMA运用的频段为Band/，TD-LTE运用的频段为Band////，FDD-LTE运用的频段为Band1/3/4/7//。　　通常来说，4G定位器必须兼容2G和3G，同时，由于全球分配的LTE频谱众多而且离散，为满足国际漫游的需要，定位器终端需要支持更多的频段，从而催生了“五模十三频”、“五模十七频”等概念，具备这种功能的定位器真正可以实现“一机在手，走遍全球”。　　2G到4G，射频前端芯片数量和价值均显著增长　　机芯片向多模方向发展以及支持频段数量指数性增加是定位器射频前端模块数量快速增长的主要驱动原因。观察2G到4G射频前端搞定方案的三幅示意图，可以形成两点直观感受：1，射频前端芯片数量不断增长；2，射频前端*复杂度不断提升。　　图4是2G功能*（FeaturePhone）的典型射频前端搞定方案，主要的射频前端芯片有：1个功率放大器模块（PA），2个发射低通滤波器（LPF），2个接收滤波器（SawFilter），1个SP6T开关。其中，功率放大器、LPFFilter和SP6TSwitch被集成到一颗PAModule里。　　图5是3G*（WCDMA）的典型射频前端搞定方案，主要的射频前端芯片在2G方案的基础上，增加了2组PAModule和4组双工器（Duplexer）。　　图6是4GLTE定位器典型射频前端搞定方案，支持“五模十二频”，可以看到，在4G时代，射频前端芯片不仅在数量上产生指数级增长，在规划复杂度上更是大大提升。主要的射频前端芯片有：1个集成频段选择开关的多模功率放大器（MMPA），4个PAModule，3个Duplexer/Multiplexer，6个接收/发射Filter，1个用于TD-LTE模式的S1P2开关，分别用于高频、低频和分集电路的3个天线开关模块，1个接收分集滤波器。　　表1整理了2G至4G射频前端搞定方案中器件的数量，可以看到，4G方案的射频前端芯片数量相比2G方案和3G方案有了显著的增长。印证了我们对定位器射频前端芯片的数量随着支持频段数量的增加而指数级递增的推论。　　从更为直观的角度观察，图7给出了定位器射频前端模块从2G到4G演进过程中*和出货量的变化数据。现在，高端4G智能*中射频前端模块的*合计已经达到.美元，中高端4G产品也有7.美元。相比2G定位器的0.美元和3G*的3.美元，射频前端模块的单位产值有了几倍、几十倍的提升，并且，随着4G通信网络渗透率的不断提升，高端4G*的出货量依然在不断攀升中。