手機(jī)射頻技術(shù)演進(jìn)

手機(jī)射頻前端

• 射頻前端是移動(dòng)終端設(shè)備中實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊

射頻前端是將數(shù)字信號(hào)向無(wú)線射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)部件，也是無(wú)線通信系統(tǒng)的核心組件。

射頻前端指位于射頻收發(fā)器及天線之間的中間模塊，其功能為無(wú)線電磁波信號(hào)的發(fā)送和接收，是移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS 等無(wú)線通信功能所必需的核心模塊。射頻前端與基帶、射頻收發(fā)器和天線共同實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊的兩個(gè)本質(zhì)功能，即將二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l率無(wú)線電磁波信號(hào)并發(fā)送，以及接收無(wú)線電磁波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制信號(hào)。

射頻前端是智能終端產(chǎn)品的重要組成部分。射頻前端包含射頻功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、天線調(diào)諧開(kāi)關(guān)、濾波器和雙工器（多工器）、低噪聲放大器等射頻器件。在無(wú)線移動(dòng)終端設(shè)備中的信號(hào)發(fā)射、接收鏈路中，射頻前端芯片通常以集成了前述不同器件的模組形式進(jìn)行應(yīng)用，例如信號(hào)發(fā)射鏈路中的射頻功率放大器模組，以及信號(hào)接收鏈路中的接收端模組。

圖1  射頻前端的構(gòu)成及功能

器件傳輸信號(hào)的過(guò)程：當(dāng)手機(jī)接收信號(hào)時(shí)，天線首先接收到射頻信號(hào)，然后通過(guò)一系列處理步驟對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確而復(fù)雜的處理，整個(gè)射頻部分涉及到濾波、放大、混頻、解調(diào)和調(diào)制等多個(gè)環(huán)節(jié)和組件的協(xié)同工作。這些步驟和處理確保了手機(jī)通訊的穩(wěn)定性、可靠性和高質(zhì)量。

圖2  射頻信號(hào)在手機(jī)內(nèi)的傳輸路徑

圖3  移動(dòng)通信終端各個(gè)射頻器件之間的信號(hào)傳輸關(guān)系

射頻前端器件

射頻前端主要包括射頻開(kāi)關(guān)（RF switch）、功率放大器（Power amplifier）、濾波器（Filter）、低噪聲放大器（Low noise amplifier，LNA）、雙工器（Duplexer）等單元。濾波器可以減少干擾和噪音，保證信號(hào)質(zhì)量；而放大器則可以放大信號(hào)，提高信號(hào)強(qiáng)度。此外，功率放大器也是非常重要的一個(gè)組件，能夠?qū)⒌凸β实男盘?hào)變成高功率的信號(hào)，使信號(hào)能夠在廣泛的范圍內(nèi)傳遞。

圖4  射頻前端器件

濾波器是射頻系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件之一，其在射頻前端器件中價(jià)值占比大，量產(chǎn)壁壘也較高。濾波器（Filter），是射頻前端中重要的分立器件，使信號(hào)中特定頻率成分通過(guò)而盡可能衰減其他頻率成分，從而提高信號(hào)的抗干擾性及信噪比。目前在手機(jī)射頻市場(chǎng)中主要采用聲學(xué)濾波技術(shù)。

圖5  濾波器

根據(jù)工藝技術(shù)的不同，濾波器主要分為壓電濾波器和 LC 濾波器。壓電濾波器主要包含 SAW 濾波器和 BAW 濾波器，即聲表面濾波器和體聲波濾波器，這兩者為市場(chǎng)主流。

圖6  壓電濾波器分類(lèi)

SAW 濾波器制作工藝簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，主要應(yīng)用于 GHz 以下的低頻濾波，而BAW 濾波器插損低，性能優(yōu)秀，可以適用于高頻濾波，但工藝復(fù)雜，價(jià)格較高。

表1  SAW 濾波器與 BAW 濾波器

由于工藝復(fù)雜度、技術(shù)以及成本的限制，目前通信標(biāo)準(zhǔn)下更多射頻前端采用 SAW濾波器。但 5G 滲透率的提升將推動(dòng) BAW 濾波器憑借其優(yōu)異的性能和對(duì)高頻的支持成為手機(jī)射頻前端的主流器件。

圖7  不同類(lèi)型濾波器性能

功率放大器是射頻系統(tǒng)的核心部件之一，它決定了手機(jī)等無(wú)線終端的通訊距離和信號(hào)質(zhì)量。射頻功率放大器作用是把射頻信號(hào)放大，使信號(hào)饋送到天線發(fā)射出去，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。功率放大器的性能提升主要來(lái)自于材料工藝的提升，目前已經(jīng)經(jīng)歷了 CMOS、GaAs、GaN 的三大技術(shù)演變。

射頻功率放大器主流工藝采用 GaAs 材料，占比達(dá) 95%以上，GaN 為原材料的高端工藝有望持續(xù)滲透。目前手機(jī)上的功率放大器主要運(yùn)用第二代化合物半導(dǎo)體GaAs，部分功率放大器則采用 Si、Ge 工藝的 CMOS；2G 手機(jī)曾采用 CMOS 工藝，3G/4G/5G 則采用 GaAs 工藝，而 GaN 或?qū)⒊蔀楦哳l、大功率應(yīng)用的方案。

射頻低噪聲放大器作用是減少噪聲引入，SOI 工藝占比過(guò)半。射頻低噪聲放大器的功能是把天線接收到的微弱射頻信號(hào)放大，盡量減少噪聲的引入，在移動(dòng)智能終端上實(shí)現(xiàn)信號(hào)更好、通話質(zhì)量和數(shù)據(jù) 傳輸率更高的效果。射頻低噪聲放大器產(chǎn)品采用 SiGe、RF CMOS、RF SOI、GaAs 等材料及相應(yīng)工藝，主要應(yīng)用于智能手機(jī)等移動(dòng)智能終端。

射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)射頻信道的收發(fā)切換，主流工藝為 SOI，占比 90%以上。射頻開(kāi)關(guān)主要用于控制射頻信號(hào)通道轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等移動(dòng)終端。

射頻開(kāi)關(guān)由傳導(dǎo)開(kāi)關(guān)和天線開(kāi)關(guān)兩部分組成。傳導(dǎo)開(kāi)關(guān)可以將多路射頻信號(hào)中的任一路或幾路通過(guò)控制邏輯連接，以實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)路徑的切換，如接收與發(fā)射的切換、不同頻段間的切換等。天線開(kāi)關(guān)與天線直接連接，用于調(diào)諧天線信號(hào)的傳輸性能使其在任何頻率上均達(dá)到效率，或交換選擇性能好的天線信道。天線開(kāi)關(guān)的技術(shù)難度高于傳導(dǎo)開(kāi)關(guān)，因其耐壓要求高，導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容對(duì)性能影響很大，因此有更高的設(shè)計(jì)和工藝要求。

產(chǎn)業(yè)鏈分為 Fabless 和 IDM 模式

射頻前端產(chǎn)業(yè)鏈上下游包括原材料供應(yīng)、射頻前端芯片設(shè)計(jì)廠商、移動(dòng)智能終端設(shè)備制造商。其中，芯片設(shè)計(jì)廠商主要負(fù)責(zé)射頻前端