被5G改变的射频前端

这是由于5G设备使用不同的高频频段来实现高速数据传输，导致5G射频前端模块的需求量和复杂度倍增，速度之快令人措手不及。  

复杂性驱动射频模组市场高速发展

多家分析机构的数据印证了这一趋势。据Gartner预测，到2026年射频前端市场规模将达到210亿美元，2019年至2026年间的复合年增长率为8.3%；Yole的预测则更为乐观，他们预估2025年射频前端整体市场规模将达到258亿美元。其中，射频模组市场将达177亿美元，占总市场规模68%，年均复合增长率为8%；分立器件规模为81亿美元，占总市场规模32%，复合年增长率为9%。

如果与4G早期的多模芯片对比，我们也能很直观的感受到这种变化。

那时，一颗4G多模芯片大约只包括16个频段，进入全球全网通时代后增加到49个，3GPP增加了600MHz频段后编号达到了71。如果再考虑5G毫米波频段，那么频段数量还会增加得更多；载波聚合(Carrier Aggregation)技术也是一样——2015年载波聚合刚刚推出时，约有200种组合；2017年，就有超过1000个频段配置的需求；而到了5G发展早期，频段组合数量已经超过10000种。

图源：高通

但发生变化的还不仅仅是器件数量。在实际应用中，以工作在28GHz、39GHz或60GHz频段的5G毫米波系统为例，它所面临的最大障碍之一就是如何克服不理想的传播特性。此外，宽带数据转换、高性能频谱转换、高能效比电源设计、先进封装技术、OTA测试、天线校准等，都构成了毫米波频段5G接入系统面临的设计难题。可以预见的是，如果没有出色的射频性能提升，就不可能设计出具有出色连接性能和持久续航的5G终端。

下表说明了随着3G、4G和5G网络中支持的频段数量的增加，导致射频部分复杂性的失控式增长。对比11年前三星Galaxy系列的第一代设计，我们可以看到伴随每一次移动网络的迭代而带来对更多射频频段的需求，以及不断增加的无线带宽对射频前端设计要求的提高。

这意味着对智能手机设计者来说，庞大的RF零部件数量很让人头疼，他们必须将所有这些RF模块全部塞到一部5G手机里；而手机厂商需要在控制成本膨胀且产品体积受限的情况下设计出更高性能的射频前端。尽管看起来都是非常棘手的事情，但如果能解决这一难题，无疑将成为一个重大的竞争优势。

射频前端为何如此复杂？

射频前端始于天线，途径射频收发器，结束于调制解调器。除此之外还有很多射频技术应用在在天线和调制解调器之间。下图简化说明了射频前端的构成模块。对于这些元器件的供应商来说，5G提供了一个扩大市场的黄金机会，因为射频前端内容的增长与射频复杂性的提升成正比。

一个不可忽视的现实是，射频前端设计不能随着对手机无线需求的增加而同步扩展。因为频谱是一种稀缺资源，今天大多数蜂窝网络无法满足5G的预期需求，所以射频设计者需要在消费级设备上实现前所未有的射频组合支持及构建具有最佳兼容性的蜂窝无线设计。

从Sub-6GHz到毫米波，所有可用的频谱必须在最新的射频和天线设计中得到利用和支持。而且由于频谱资源的不一致，频分双工和时分双工的功能都必须集成在一个射频前端设计中。另外，载波聚合通过绑定不同频率的频谱来增加虚拟管道带宽，也提升了对射频前端的要求和复杂程度。

此外，无线局域网和Wi-Fi不断演进的功能又增加了一层复杂性，因为蜂窝和Wi-Fi信号必须保持分离，否则就会出现大量射频干扰的风险。例如高通全新推出的Wi-Fi 7射频前端模组就支持5G与Wi-Fi共存，与高通ultraBAW™滤波器配合以支持5G/Wi-Fi并发，增强使用蜂窝网络终端的无线连接性能。可见，射频前端必须有先进的过滤技术以避免射频信号的重叠。

亲自出马做射频前端，所为何来？

然而，能在5G手机中提供这些射频前端元器件只是一方面，提供解决方案来应对射频设计的复杂性并使系统可靠运行则是另外一回事。为了满足这一市场需求，传统的芯片制造商高通公司已经将射频元器件和技术方案组合在一起，为智能手机制造商提供一个成熟的、模块化的调制解调器到天线(modem-to-antenna)的射频解决方案。高通投入了大量的射频工程资源来设计自己的射频前端，这一策略为终端生态系统带来了巨大的价值。

早在2016年1月，高通就与TDK成立了RF360控股新加坡有限公司，拥有包括表面声波(SAW)、温度补偿表面声波(TC-SAW)和体声波(BAW)在内的一系列全面的滤波器和滤波技术。到了2019年，高通从TDK手中买下了RF360的剩余股份，将RFFE产品纳入公司统一的内部产品开发队列中，从而让高通拥有了从射频前端到基带的完整5G解决方案。

此后几年里，高通在射频前端领域的发展一日千里。2020财年，高通实现了24亿美元的射频前端收入，同比增长60%；2021财年，射频前端营收达到了41.58亿美元，相比2020财年增长了76%；而最新的2022年Q2财报则显示，来自射频前端业务的营收为11.6亿美元，同比增长28%。

其实，Strategy Analytics在2021年底的一份报告就提到，2021年高通在移动用户设备的RFFE营收方面已经超过Qorvo和Skyworks。去年的高通投资者大会上，高通宣布比计划提前一年实现在智能手机射频前端市场营收第一的目标，全年射频前端单元累计出货量达80亿个，其中单个组件出货量均超过3亿个。

众所周知，第三方射频前端芯片公司Skyworks、Broadcom、Qorvo和Muruta，近几年均通过内部研发或外部并购，完成了PA、Switch、Duplexer、Filter全产品线布局，并且推出了高集成度产品的独立品牌，例如Qorvo的RF Fusion、RF Flex，Skyworks的SkyOne等。

但在高通方面看来，拥有自己的调制解调器，才是高通与第三方射频元器件厂商相比所拥有的非常重要的差异化优势。例如，最新发布的调制解调器及射频系统骁龙X70是上述策略的最佳体现。它最引人关注之处还不仅仅在于10Gbps的峰值速率，而是首次引入了高通5G AI套件，全方位利用AI能力实现突破性的5G性能，包括高速下载、低时延、卓越的网络覆盖和能效。这表明，从X65中“牛刀小试”的AI天线调谐技术，到X70中AI套件的全方位加持，高通在5G调制解调器及射频系统中使用AI技术的能力有了质的飞跃。

而射频前端涉及的一些关键技术，比如包络追踪(Envelope Tracking)、滤波器、AI辅助信号增强等，必须要与高通的调制解调器紧密配合才能实现最好的性能。

• 包络追踪

第七代高通宽带包络追踪器QET7100能够将能效提高30%。QET7100支持5G新频段的100MHz全带宽，还支持LTE。单个追踪器可通过支持多输出驱动多个5G和4G功率放大器，不仅支持终端厂商在不增加占板面积的情况下设计性能更高、外形更时尚的手机，还支持终端厂商灵活选择功率放大器。

• 射频滤波器技术

2020年，与骁龙X60同步推出的高通ultraSAW滤波器能够实现将插入损耗提升整整1分贝(dB)，在2.7GHz以下频段范围内可以提供比与之竞争的体声波(BAW)滤波器更高的性能。

一年后，在ultraSAW技术之上，高通又推出了支持2.7GHz到7.2GHz的ultraBAW射频滤波器，从而将中频段连接扩展到7GHz以下。此外，高通ultraBAW还支持高达300MHz的超宽信道、5G和/或Wi-Fi网络共存、以及更快的下载和上传。

• Smart Transmit 3.0

高通Smart Transmit 3.0技术目前扩展了对Wi-Fi和蓝牙发射功率管理的支持。该特性针对2G到5G、毫米波、Wi-Fi(2.4GHz 6/6E/7)和蓝牙(2.4)等多种无线通信实现了实时发射功率平均，从而实现卓越的射频性能。

• AI辅助信号增强

该技术利用AI训练模型智能侦测用户握持终端的手部位置，并实时动态调谐天线。与前代解决方案相比，基于AI的侦测将情境感知准确性提高30%，带来更快数据速率、更广网络覆盖和更长电池续航，解决了终端厂商应对5G移动终端所需的天线数量和频率范围不断增长的难题。

SemiAnalysis认为，到2025年高通大概可以在RFFE市场拿下超过80亿美元的市场营收，持续高速增长的动力将来自智能手机、Wi-Fi、汽车和物联网领域，而获取市场份额的最大优势并不是提供射频前端组件，而是完整的、经过验证的modem-to-antenna整合解决方案。

高通公司内部也为射频前端业务制定了雄心勃勃的计划。在2021投资者大会上，高通公司总裁兼首席执行官安蒙表示，到2024财年，智能手机和射频前端业务营收的增长率至少将保持12%的复合年均增长率。

而全新射频前端模组的推出，也与公司战略相契合，通过调制解调器到天线的解决方案，将公司领导力扩展至汽车和物联网领域，从而使高通成为覆盖不同行业的射频前端全球领军企业。目前，大多数已发布或正在开发中的采用高通连接芯片的5G汽车、5G固定无线接入CPE和5G PC，都使用了其射频前端技术或组件。此外，高通射频前端技术也正加速应用于消费级物联网终端，如可穿戴设备。

ABI Research分析师表示，手机OEM厂商发现5G给设计带来了相当的挑战性，包括很长的产品开发周期、更高的成本，以及在设备ID设计上巨大的限制，让RFFE组件采购流程、系统设计都变得比以前复杂很多。而“集成的modem-RF设计，是5G市场获得成功的关键”，高通的先发优势正中了OEM厂商的痛点。