揭秘射频前端——藏在高端智能手机芯片里的“外交官”

进入3G/4G/Pre-5G时代，射频前端，一个手机SoC里不起眼的小角色，开始在高端智能手机市场挑大梁。一旦连上移动网络，任何一台智能手机都能轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、在线购物，这完全是射频前端进化的功劳，手机每一个网络制式（2G/3G/4G/WiFi/GPS），都需要自己的射频前端模块，充当手机与外界通话的桥梁——手机功能越多，它的价值越大。

射频前端与智能终端一同进化

射频前端（RFFE：Radio Frequency Front End）模块是移动终端通信系统的核心组件，对它的理解可以从两方面考虑：一是必要性，它是连接通信收发器（transceiver）和天线的必经之路；二是重要性，它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式，以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标，直接影响终端用户体验。

如下图所示，射频前端芯片包括功率放大器（PA：Power Amplifier），天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer和Diplexer）和低噪声放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等，在多模／多频终端中发挥着核心作用。

除通信系统以外，手持设备中的无线连接系统（Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等）对射频前端芯片也有较强的需求。

射频前端之所以越来越复杂，一个主要驱动因素是终端产品，由于终端产品多模、多频段的趋势导致。观察下图，一款4G全网通手机的PCB板上，囊括数十颗射频芯片，顶级终端所占比例更大。

Mobile Expert数据显示，2020年整个全球射频前端市场会达到180亿美元，2015年到2020年复合增长率达到13%，其中很重要的一块增长就是来自于滤波器、双工器。

滤波器、双工器之所以成为增长来源，是因为随着频段增多而增加：按照一个双工器包含两个滤波器的规格，在2015年，一个顶级智能手机里大概支持15个频段，包含50个滤波器。预计到2020年，一个顶级智能手机中将支持30-40个频段来覆盖全球频段，目前市场上最顶级的智能手机已经支持30多个频段，它包含的滤波器可以到100个以上。

除此之外，射频前端为何市场前景广阔？答案也是因为频段+载波聚合组合的增长。

关于频段。2G／3G时代，频段极少，2G年代GSM是4个频段，3G年代TD-SCDMA是2个频段、CDMA在中国是一个频段，当时射频前端的复杂性较低，价值也较低。

到4G时代早期，“五模十三频”、“五模十七频”等概念成为厂商宣传热点，可以作为手机核心竞争力——通信制式的兼容。那时候，频段增加到16个，全球全网通频段增至49个，3GPP新增的600MHz频段编号达到71个，如果纳入5G毫米波那么频段还会增加。

关于载波聚合。从2015年最开始的两个载波，增至现在的3-4个载波，预计2017年将会提出超过1000个频段组合的需求。

以上两者都需要射频前端的能力。

摆在射频前端厂商面前的难题

尽管射频前端前景广阔，但很多射频前端厂商在工艺设计上犯了难。IHS Markit近期发布的报告指出，自LTE设备诞生以来，射频前端的复杂性显著增加；设备其他功能的改进，导致了一个更具挑战性的设计环境。

一方面，高端智能手机不断推陈出新，屏幕越来越大、机身越来越轻薄，这些变化直接导致射频前端组件的物理空间减少；另一方面，考虑到大尺寸屏幕对电池续航的影响，射频前端的设计要比以往更重视电源使用效率；第三，网速越来越快，射频前端模块正在变得越来越复杂。

尽管射频前端的复杂程度增加，然而设备PCB上留给此功能区的空间一直以来却在减少。过去几年，高端智能手机已经从仅支持有限的射频频段转为单一SKU，支持34个频段的智能手机，为了尽可能在有限的空间容纳扩展频段，射频前端越来越模块化，比之前集成了更多的PA、滤波器、双工器、开关和LNA部件，随着PCB上元器件密度越来越高，元器件间的干扰逐渐成为一个不可忽视的问题，如何对每个射频元器件实施充分有效的隔离，成为相关厂商的第二个挑战。

一个集成化的解决方案是关键

纵观射频前端芯片市场，器件主要分为两类，一类是使用MEMS工艺制造的滤波器，以声表面波滤波器(SAW)和体声波滤波器(BAW)为代表，第二类是使用半导体工艺制造的电路芯片，以功率放大器(PA)和开关电路(Switch)为代表。

SAW和BAW市场都不缺玩家，而高通给出的答案是：做一个集成化的射频前端解决方案，或许能成为高端智能手机的救星。

稍早前，高通与TDK株式会社成立了合资企业RF360控股公司。今年2月份，高通推出了全新的射频前端解决方案，被高通称作“从调制解调器到天线”的完整解决方案：

1、完整的射频前端核心技术。通过与TDK成立的合资公司，高通拥有包括表面声波（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，另外也拥有像做开关产品或天线调谐的SOI技术，还有低噪声放大器（LNA）技术。

2、先进的模块集成功能。与SoC不同，射频前端的集成是做SIP（System In Package，系统级封装），通过与TDK合作，高通加强了模组集成能力，可以提供集成化方案。

3、高通具有自己的调制解调器（modem），这是其与第三方射频元器件厂商相比，所拥有的重要差异化优势，从而能提供一套系统化解决方案。

值得一提的是，高通的整合解决方案还支持载波聚合的TruSignal自适应天线调谐技术。TruSignal可被看作是三项技术的总称：第一是主分集天线切换，它是用来解决手机“死亡之握”的问题——手机的主天线一般是在手机的下方，当人们用手握住它的时候，信号会掉得非常快，当下方主天线被握死时，它可以将天线切换到上面的分集天线去；第二是天线调谐——天线调谐技术又包含两类，一类叫孔径调谐，一类叫阻抗调谐，通过调谐天线的匹配，可以解决天线和PA之间的适配问题；第三是高阶分集接收——通过增加分集来提升接收性能，以及接收的下行速率。

三个技术配合在一起，好处多多。第一是通话可靠性和通话质量：当天线性能提升之后，信号质量提升，通话的可靠性和质量自然提升了，经过高通实测，通话掉话率最高可以减少30%；第二是更快的数据传输速率，实测数据显示数据传输速率可以提高49%；第三是在同样的传输速率、同样的吞吐率情况下，电池续航时间可以提高，当天线效率得到提升之后，在同样的速率下，需要的输出功率变少，电池的续航时间就变长了。

完整的射频前端解决方案，可以使OEM厂商、最终消费者和运营商获得共赢。骁龙835/660/630移动平台均引入了射频前端技术。而作为首批实现先进射频特性的国产智能手机之一，一加手机5已经率先支持包括载波聚合功能和包络追踪等的TruSignal技术，充分提升了数据传输速率、覆盖、电池寿命、通话质量和通话可靠性。