手机射频技术演进

ittbank 2024-05-24 17:40

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手机射频前端

射频前端是移动终端设备中实现无线通信的核心模块

射频前端是将数字信号向无线射频信号转化的基础部件，也是无线通信系统的核心组件。

射频前端指位于射频收发器及天线之间的中间模块，其功能为无线电磁波信号的发送和接收，是移动终端设备实现蜂窝网络连接、Wi-Fi、蓝牙、GPS 等无线通信功能所必需的核心模块。射频前端与基带、射频收发器和天线共同实现无线通讯的两个本质功能，即将二进制信号转变为高频率无线电磁波信号并发送，以及接收无线电磁波信号并将其转化为二进制信号。

射频前端是智能终端产品的重要组成部分。射频前端包含射频功率放大器、射频开关、天线调谐开关、滤波器和双工器（多工器）、低噪声放大器等射频器件。在无线移动终端设备中的信号发射、接收链路中，射频前端芯片通常以集成了前述不同器件的模组形式进行应用，例如信号发射链路中的射频功率放大器模组，以及信号接收链路中的接收端模组。

图1 射频前端的构成及功能

器件传输信号的过程：当手机接收信号时，天线首先接收到射频信号，然后通过一系列处理步骤对信号进行精确而复杂的处理，整个射频部分涉及到滤波、放大、混频、解调和调制等多个环节和组件的协同工作。这些步骤和处理确保了手机通讯的稳定性、可靠性和高质量。

图2 射频信号在手机内的传输路径

图3 移动通信终端各个射频器件之间的信号传输关系

射频前端器件

射频前端主要包括射频开关（RF switch）、功率放大器（Power amplifier）、滤波器（Filter）、低噪声放大器（Low noise amplifier，LNA）、双工器（Duplexer）等单元。滤波器可以减少干扰和噪音，保证信号质量；而放大器则可以放大信号，提高信号强度。此外，功率放大器也是非常重要的一个组件，能够将低功率的信号变成高功率的信号，使信号能够在广泛的范围内传递。

图4 射频前端器件

滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一，其在射频前端器件中价值占比大，量产壁垒也较高。滤波器（Filter），是射频前端中重要的分立器件，使信号中特定频率成分通过而尽可能衰减其他频率成分，从而提高信号的抗干扰性及信噪比。目前在手机射频市场中主要采用声学滤波技术。

图5 滤波器

根据工艺技术的不同，滤波器主要分为压电滤波器和 LC 滤波器。压电滤波器主要包含 SAW 滤波器和 BAW 滤波器，即声表面滤波器和体声波滤波器，这两者为市场主流。

图6 压电滤波器分类

SAW 滤波器制作工艺简单，性价比高，主要应用于 GHz 以下的低频滤波，而BAW 滤波器插损低，性能优秀，可以适用于高频滤波，但工艺复杂，价格较高。

表1 SAW 滤波器与 BAW 滤波器

由于工艺复杂度、技术以及成本的限制，目前通信标准下更多射频前端采用 SAW滤波器。但 5G 渗透率的提升将推动 BAW 滤波器凭借其优异的性能和对高频的支持成为手机射频前端的主流器件。

图7 不同类型滤波器性能

功率放大器是射频系统的核心部件之一，它决定了手机等无线终端的通讯距离和信号质量。射频功率放大器作用是把射频信号放大，使信号馈送到天线发射出去，从而实现无线通信功能。功率放大器的性能提升主要来自于材料工艺的提升，目前已经经历了 CMOS、GaAs、GaN 的三大技术演变。

射频功率放大器主流工艺采用 GaAs 材料，占比达 95%以上，GaN 为原材料的高端工艺有望持续渗透。目前手机上的功率放大器主要运用第二代化合物半导体GaAs，部分功率放大器则采用 Si、Ge 工艺的 CMOS；2G 手机曾采用 CMOS 工艺，3G/4G/5G 则采用 GaAs 工艺，而 GaN 或将成为高频、大功率应用的方案。

射频低噪声放大器作用是减少噪声引入，SOI 工艺占比过半。射频低噪声放大器的功能是把天线接收到的微弱射频信号放大，尽量减少噪声的引入，在移动智能终端上实现信号更好、通话质量和数据传输率更高的效果。射频低噪声放大器产品采用 SiGe、RF CMOS、RF SOI、GaAs 等材料及相应工艺，主要应用于智能手机等移动智能终端。

射频开关实现射频信道的收发切换，主流工艺为 SOI，占比 90%以上。射频开关主要用于控制射频信号通道转换，广泛应用于智能手机等移动终端。

射频开关由传导开关和天线开关两部分组成。传导开关可以将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连接，以实现不同信号路径的切换，如接收与发射的切换、不同频段间的切换等。天线开关与天线直接连接，用于调谐天线信号的传输性能使其在任何频率上均达到效率，或交换选择性能好的天线信道。天线开关的技术难度高于传导开关，因其耐压要求高，导通电阻和关断电容对性能影响很大，因此有更高的设计和工艺要求。

产业链分为 Fabless 和 IDM 模式

射频前端产业链上下游包括原材料供应、射频前端芯片设计厂商、移动智能终端设备制造商。其中，芯片设计厂商主要负责射频前端分立器件、射频前端模组的设计研发，模组普遍外包给 SiP 封装厂商进行封装。晶圆制造商和封装测试厂的工艺水平、生产管理水平和产能对芯片的良率和交货周期影响较大；下游客户的需求直接决定了芯片设计厂商的芯片产品销量。

射频前端行业的商业模式分为 Fabless 模式和 IDM 模式。在 Fabless 模式下，三大分工环节分别由专业化的公司分工完成，此模式中主要参与的企业类型有芯片设计厂商、晶圆制造商、外包封测企业；IDM 模式具有各种射频元件的完整制造技术与整合能力，可以提供射频前端整体解决方案，降低了开发难度，受到手机OEM 厂商的青睐。海外大厂多数采用 IDM 来形成技术壁垒。

图9 射频前端商业模式

射频前端架构的变化，总体可以总结为如下五个阶段：

在 2014 年之前，LTE 商用的三年中，所使用的方案可以称之为 Phase 1方案，没有正式的命名，只是相对于 Phase2 而言，把它叫做 Phase1；
2014 年，MTK 定义了射频前端 Phase2 方案。Phase2 与 Phase1 的差别在于：

将 Phase1 的 2G PA，与 ASM（Antenna Switch Module，天线开关模组）整合，形成 TxM（Transmitter Module，发射模组）；
将 4G 频段的 PA 整合，形成 4G MMMB PA（Multi-Mode, Multi Band Power Amplifier Module）；

2015-2016 年，4G 持续普及，MTK 定义了 Phase3 及 Phase5 来支持不同的 CA 场景。

Phase3 可以支持 2 下行 CA 及带内上行 CA；
Phase5 利用多工器的引入，又将 CA 能力提升到了 3 下行 CA 及带间上行 CA。

2016 年，MTK 推出 Phase6 PAMiD（PA Module integrated with Duplexer，即 PA 滤波器集成模组）方案。MTK 对 Phase6 进行成本优化，去掉冗余载波和滤波器，升级到更贴合中国市场的 Phase6L（Phase6 Lite）方案。
2018 年，5G 商用前夕，MTK 在对协议、运营商、终端客户及器件厂商的信息综合分析后，先后定义了 Phase7/Phase7L/Phase7LE 方案。

图13 Phase 方案发展历程

Phase 方案演进

5G 时代传输速率主要有两种提升途径：

通过解锁高频段频谱，获得更大带宽

从天线角度讲，4G 的使用频段一般在 700MHz 到 2700MHz 范围，而 5G的高频段将在几 GHz 到几十 GHz 级别的毫米波频段上；

使用 MIMO 和载波聚合技术，更高效利用频谱资源

但无论哪一种，对于频段的通道数的需求都是增加的，这也是推动射频器件在 5G 时代增长的主要动能之一。

图14 提高传输速度的两种途径

图15 4G 到 5G Sub6G 射频前端复杂度变化

5G 手机所需覆盖的频段数量逐渐增加。2G 时代，通信制式只有 GSM 和 CDMA两种，射频前端采用分立器件模式，手机支持的频段不超过 5 个；3G 时代，由于手机需要向下兼容 2G 制式，多模的概念产生了，手机支持的频段最多可达 9 个；4G 时代的全网通手机所能够支持的频段数量迅速增加到 37 个。