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400萬部。與之形成對比的是，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15億部。如今市場上用戶更關(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)的功能通常會被忽略，而它的功能實(shí)際上正是智能手機(jī)具有移動性的關(guān)鍵。射頻性能可以成為極佳移動寬帶體驗(yàn)的推動者，或者成為一個阻礙者。

自從廣泛采用LTE技術(shù)以來，射頻前端(RFFE)一直在支持越來越多的頻段和空中接口制式，同時克服了智能手機(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)雜性呈幾何級數(shù)式增長;從3G到4G的轉(zhuǎn)變，更使得RFFE的復(fù)雜性呈指數(shù)式增長，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，在競爭日益激烈的環(huán)境中，OEM廠商可能會把重點(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候都更受關(guān)注的時候，OEM廠商對射頻前端的興趣反而可能會更小。

根據(jù)IHS Markit無線半導(dǎo)體競爭研究報(bào)告的數(shù)據(jù)顯示，移動手機(jī)射頻前端器件市場的規(guī)模已從2010年的43億美元增長到2017年的約134億美元，復(fù)合年增長率超過17.7%。在這段時間里，射頻器件市場的增長速度是整個半導(dǎo)體市場的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，與日俱增的復(fù)雜性，以及隨著市場進(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)步推動了射頻器件市場的發(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)，從而推動更高的數(shù)據(jù)傳輸率。載波聚合是單個射頻頻帶的組合，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)隨著高級版LTE，基本是LTE Cat 4 及以上的出現(xiàn)而出現(xiàn)。從Cat 4 LTE開始，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)級增長，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個頻段，甚至還沒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)時是一個挑戰(zhàn)。如今發(fā)布的大多數(shù)智能手機(jī)都至少有2到4個版本，以解決支持全球所有主要網(wǎng)絡(luò)的問題。蘋果是唯一一家通過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，尤其是在LTE技術(shù)進(jìn)步的情況下。蘋果iPhone 4S只需應(yīng)對相對較少頻帶的3G技術(shù)，一旦蘋果進(jìn)入到LTE時代，單一SKU不再是一種選擇。2012年9月底新發(fā)布的iPhone 5有三個不同的型號，每個型號支持一組不同的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廠商都會采用相同的方法來進(jìn)行射頻器件集成，這取決于智能手機(jī)的目標(biāo)市場;他們可能會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)商提供了各種級別的集成射頻器件。對于專注于入門級、本地或運(yùn)營定制手機(jī)的OEM廠商來說，他們可能會選擇在設(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越高。對于區(qū)域性的手機(jī)SKU來說，OEM廠商會使用集成的方式來處理信號放大和開關(guān)，只會使用分立的濾波器和雙工器。結(jié)合了開關(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，對于大多數(shù)全球旗艦智能手機(jī)設(shè)計(jì)來說，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。一般來說在同類設(shè)計(jì)和定價的智能手機(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)中的器件越來越模塊化，但每個單元中使用的濾波器的數(shù)量預(yù)計(jì)會隨著時間的推移而增加。對于每一個由手機(jī)支持的射頻頻段，都可以有兩個或以上的濾波器。因此，每個手機(jī)的濾波器數(shù)量(集成或其他) 將繼續(xù)隨著時間的推移而增加，一些手機(jī)的單一型號要支持30多個LTE頻段，每部手機(jī)可能會有超過70個濾波器。這是一種持續(xù)化趨勢，特別是在高端智能手機(jī)市場中。為了使手機(jī)能夠適應(yīng)未來需要的濾波器的數(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，如天線開關(guān)和功率放大器。

系統(tǒng)級別的專業(yè)知識: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，對射頻供應(yīng)商擁有系統(tǒng)級專業(yè)知識的需求從未如此之大。最成功的射頻供應(yīng)商將是那些擁有對于不同的產(chǎn)品組合的系統(tǒng)級協(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廠商必須滿足移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的需求，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€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)廠商稱霸移動手機(jī)射頻器件市場的一個最主要的原因。

在智能手機(jī)市場上，當(dāng)前的集成射頻前端設(shè)計(jì)將成為未來幾年智能手機(jī)過渡到支持5G技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著新的無線電設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，以及越來越多的軟件控制，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性。此外，還會出現(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)級別以及RFFE內(nèi)部解決。展望未來，RFFE必須針對系統(tǒng)級別的可調(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，以及它目前和未來在全球的LTE設(shè)備中的流行程度。