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集成和 技术创新创造新机会并将射频器件推向新高

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行业资讯
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2019/01/23
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【摘要】:
智能手 机是当今世界上使用最广泛、最通用 的电子设备之一,在过去 的十年里已经获得了巨大的普及,现在已 经成为数字世界的主要沟通媒介。在某些情况下,特别是在发展中国家,智能手 机可能是用户唯一具有计算功能的设备。就在10年前,上市的 智能手机还不足400万部。与之形成对比的是,IHSMarkit预计自2017年起,全球智 能手机每年的出货量将超过15亿部。如今市 场上用户更关注的功能,如屏幕、相机、内存、处理器和

  智能手 机是当今世界上使用最广泛、最通用 的电子设备之一 ,在过去 的十年里已经获得了巨大的普及,现在 已经成 为数字世界的主要沟通媒介。在某些情况下,特别是在发展中国家,智能手 机可能是用户唯一具有计 算功能的设备。就在10年前,上市的 智能手机还不足400万部。与之形成对比的是,IHS Markit预计自2017年 起,全球智 能手机每年的出货量将超过15亿部。如今市 场上用户更关注的功能,如屏幕、相机、内存、处理 器和软件等。然而,RFFE射频前端(射频收 发器与天线之间的器件)的功能通常会被忽略,而它的功能实际上 正是智 能手机具有移动性的关键。射频性 能可以成为极佳移动宽带体验的推动者,或者成为一个阻碍者。

  

集成和
技术创新创造新机会并将射频器件推向新高

 

  自从广泛采用LTE技术以来,射频前端(RFFE)一直在 支持越来越多的频段和空中接口制式,同时克服了智能 手机设 计中其他部分造成的尺寸和成本限制。

  从2G到3G技术的转变导致了RFFE的复杂 性呈几何级数式增长;从3G到4G的转变,更使得RFFE的复杂性呈 指数式增长,除了增加频段,还增加了4x4 MIMO的天线 架构和载波聚合。与此同时,在竞争 日益激烈的环境

  中,OEM厂商可 能会把重点放在前面提到的拍照等功能上,而当这 些功能比以往任何时候都更受关注的时候, OEM厂商对 射频前端的兴趣反而可能会更小。

  根据IHS Markit无线半 导体竞争研究报告的数据显示,移动手 机射频前端器件市场的规模已从2010年的43亿 美元增长到2017年的约134亿美元,复合年增长率超过17.7%。在这段时间里,射频器 件市场的增长速度是整 个半导体市场的5倍,这一惊 人的成就凸显了RF前端的 重要性和复杂性。

  为了揭 示智能手机设计中最关键的一个方面——RF前端,IHS Markit将推出一系列RFFE的深度分析。这些文 章将讨 论器件集成的趋势,与日俱增的复杂性,以及随 着市场进一步向采用4G+和5G技术发 展所需要优异射 频性能 的一些关键技术属性。本文是 本系列的第一篇。

  LTE的进步 推动了射频器件市场的发展

  随着支持LTE的频带数量的增加,诸如载 波聚合之类的技术已经出现,从而推 动更高的数据传输率。载波聚合 是单个 射频频带的组合,可以为 给定的设备创建更宽的带宽和更快的下载速度和上传速度。这一技术随着高 级版LTE,基本是LTE Cat 4 及以上的出现而出现。从Cat 4 LTE开始,设备可以达到150Mbps或更高的数据 速率。最新的 可用调制解调器是Cat-16 LTE,可以将 数据速率提高到大约1Gbps。明年,Cat18设备甚至能达 到1.2Gbps的数据传输速度。为了实 现这些非凡的速度,移动设 备必须支持更多的发送和接收通道,额外的接 收通道因为采用4x4 MIMO设计而 变得更加复杂且需要支持越来越多的载波聚合组合。随着高阶版LTE进化到 高阶版LTE Pro, 载波聚 合组合的数量呈指数级增长,2015年只有200种CA组合,两年后,这一阶段的组合数 量将超过1000种。

  

集成和
技术创新创造新机会并将射频器件推向新高

 

  防止SKU激增的器件集成

  10年前,智能手 机只需要支持大约5个频段,就能被认为是“全球通手机”,而现在的LTE制式大约有50个频段, 甚至还 没算上可能的载波聚合组合。就在几年前,OEM厂商还 可以在全球范围内发布单一SKU智能手机,尽 管这在 当时是一个挑战。如今发 布的大多数智能手机都至少有2到4个版本,以解决 支持全球所有主要网络的 问题。苹果是唯一一家通过iPhone 4S实现全球单一SKU的高端智能手机OEM厂商,但这可 能是高产量设备实 现这一 目标的最后一次机会,尤其是在LTE技术进步的情况下。苹果iPhone 4S只需应 对相对较少频带的3G技 术,一旦苹果进入到LTE时代,单一SKU不再是一种选择。2012年9月底新发布的iPhone 5有三个不同的型号, 每个型 号支持一组不同的LTE频段。智能手机留给RF器件的空间有限,为了支 持越来越多的频段,这些器件 必须彼 此集成到模块中。此外,像功率放大器(PA)这样的 器件不仅必须支持一组频段,还必须支持多种制式。 这些多制式、多波段的PA被其他器件所包围,例如集成了RF开关、双工器 和滤波器的前端模块。

  

集成和
技术创新创造新机会并将射频器件推向新高

 

  与今天 的旗舰智能手机相比,看一看早期的LTE智能手机RF前端的地位,就凸显 了器件集成的重要性。例如, 2012年的三星Galaxy SIII中发现 的主要射频器件中,只有6%被集成在模块中,而这些器件占了RFFE物料成 本(BOM)的26%(不包括RF Transceivers)。相比之下,模块化器件占了三星Galaxy S8 Plus中RFFE BOM的 87%。

  并不是所有的OEM厂商都 会采用相同的方法来进行射频器件集成,这取决 于智能手机的目标市场;他们可能会 选择使 用分立和集成射频前端混合的方式。Skyworks、Qorvo和高通 等射频供应商提供了各种级别的集成射 频器件。对于专注于入门级、本地或 运营定制手机的OEM厂商来说,他们可 能会选择在设计中使用更多的分 立射频。然而,即便是区域性的手机,模块化 的程度也越来越高。对于区域性的手机SKU来说, OEM厂商会

  使用集 成的方式来处理信号放大和开关,只会使 用分立的滤波器和双工器。结合了 开关和滤波器的前端模块 (FEM)可以在 分集接收通道中使用,以方便载波聚合。除了分 集接收的前端模块之外,对于大 多数全球旗舰智 能手机设计来说,OEM厂商正 在转向集成的前端模块,用于主 传输和接收部分,其中一 些设计可以覆盖由智 能手机支持的低、中、高频带。一般来 说在同类设计和定价的智能手机中,射频前 端的集成水平和射频部分 的BOM成本之 间有直接的关系。

  模块化推进,滤波器摇旗呐喊

  虽然智 能手机中的器件越来越模块化,但每个 单元中使用的滤波器的数量预计会随着时间的推移而增加。对 于每一 个由手机支持的射频频段,都可以 有两个或以上的滤波器。因此, 每个手 机的滤波器数量 (集成或其他) 将继续 随着时间的推移而增加,一些手 机的单一型号要支持30多个LTE频段,每部手 机可能会有超过70个滤 波器。这是一种持续化趋势,特别是 在高端智能手机市场中。为了使 手机能够适应未来需要的滤波器的数量, 射频滤 波器将需要进一步集成到模块中,并整合其他功能,如天线 开关和功率放大器。

  系统级别的专业知识:在射频 中获胜不仅仅需要器件集成

  由于当 前的高端智能手机支持如此多的频段和制式,因此,对射频 供应商拥有系统级专业知识的需求从未如 此之大。最成功 的射频供应商将是那些拥有对于不同的产品组合的系统级协同设计能力,包括数字基带和天 线。这些供 应商将能够满足客户最广泛的需求。这些需 求包括生产出性能强大而低功耗的设备,同时提供给 智能手 机持续的最快的下载和上传速度。此外,OEM厂商必 须满足移动网络运营商的需求,使他们的设备能 够尽可 能高效地与网络进行通讯。很少有 供应商能够将整个RF前端功 能与他们的产品组合在一起,这是为什 么只有 少数厂商称霸移动手机射频器件市场的一个最主要的原因。

  在智能手机市场上,当前的 集成射频前端设计将成为未来几年智能手机过渡到支持5G技术的基础。随着新的 无线电设计的实现,以及越 来越多的软件控制,RFFE将不得 不支持更广泛的频段。射频频率的范围将由 700MHz到5GHz扩展为600MHz到60GHz,尽管更 高的频率不具备移动性。此外,还会出 现更高阶的调制和 更多的空中接口技术,这将增加射频复杂性。5G带来的 性能挑战不能仅由器件集成解决,而是需要在系统级 别以及RFFE内部解决。展望未来,RFFE必须针 对系统级别的可调性进行优化,而诸如 包络跟踪和天线调优 等技术 将是设备的必需品,以满足用户对性能、能效和 电池寿命的更高期望。在本系 列的下一篇文章中,IHS Markit将深入 研究包络跟踪技术,阐述其重要性的原因,以及它 目前和未来在全球的LTE设备中的流行程度。

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