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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

日期: 2018-10-17
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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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