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      集成和技術創新創造新機會并將射頻器件推向新高

      分類:
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      作者:
      來源:
      2019/01/23
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      【摘要】:
      智能手機是當今世界上使用最廣泛、最通用的電子設備之一,在過去的十年里已經獲得了巨大的普及,現在已經成為數字世界的主要溝通媒介。在某些情況下,特別是在發展中國家,智能手機可能是用戶唯一具有計算功能的設備。就在10年前,上市的智能手機還不足400萬部。與之形成對比的是,IHSMarkit預計自2017年起,全球智能手機每年的出貨量將超過15億部。如今市場上用戶更關注的功能,如屏幕、相機、內存、處理器和

        智能手機是當今世界上使用最廣泛、最通用的電子設備之一 ,在過去的十年里已經獲得了巨大的普及,現在 已經成為數字世界的主要溝通媒介。在某些情況下,特別是在發展中國家,智能手機可能是用戶唯一具有計 算功能的設備。就在10年前,上市的智能手機還不足400萬部。與之形成對比的是,IHS Markit預計自2017年 起,全球智能手機每年的出貨量將超過15億部。如今市場上用戶更關注的功能,如屏幕、相機、內存、處理 器和軟件等。然而,RFFE射頻前端(射頻收發器與天線之間的器件)的功能通常會被忽略,而它的功能實際上 正是智能手機具有移動性的關鍵。射頻性能可以成為極佳移動寬帶體驗的推動者,或者成為一個阻礙者。

        

      集成和技術創新創造新機會并將射頻器件推向新高

       

        自從廣泛采用LTE技術以來,射頻前端(RFFE)一直在支持越來越多的頻段和空中接口制式,同時克服了智能 手機設計中其他部分造成的尺寸和成本限制。

        從2G到3G技術的轉變導致了RFFE的復雜性呈幾何級數式增長;從3G到4G的轉變,更使得RFFE的復雜性呈 指數式增長,除了增加頻段,還增加了4x4 MIMO的天線架構和載波聚合。與此同時,在競爭日益激烈的環境

        中,OEM廠商可能會把重點放在前面提到的拍照等功能上,而當這些功能比以往任何時候都更受關注的時候, OEM廠商對射頻前端的興趣反而可能會更小。

        根據IHS Markit無線半導體競爭研究報告的數據顯示,移動手機射頻前端器件市場的規模已從2010年的43億 美元增長到2017年的約134億美元,復合年增長率超過17.7%。在這段時間里,射頻器件市場的增長速度是整 個半導體市場的5倍,這一驚人的成就凸顯了RF前端的重要性和復雜性。

        為了揭示智能手機設計中最關鍵的一個方面——RF前端,IHS Markit將推出一系列RFFE的深度分析。這些文 章將討論器件集成的趨勢,與日俱增的復雜性,以及隨著市場進一步向采用4G+和5G技術發展所需要優異射 頻性能的一些關鍵技術屬性。本文是本系列的第一篇。

        LTE的進步推動了射頻器件市場的發展

        隨著支持LTE的頻帶數量的增加,諸如載波聚合之類的技術已經出現,從而推動更高的數據傳輸率。載波聚合 是單個射頻頻帶的組合,可以為給定的設備創建更寬的帶寬和更快的下載速度和上傳速度。這一技術隨著高 級版LTE,基本是LTE Cat 4 及以上的出現而出現。從Cat 4 LTE開始,設備可以達到150Mbps或更高的數據 速率。最新的可用調制解調器是Cat-16 LTE,可以將數據速率提高到大約1Gbps。明年,Cat18設備甚至能達 到1.2Gbps的數據傳輸速度。為了實現這些非凡的速度,移動設備必須支持更多的發送和接收通道,額外的接 收通道因為采用4x4 MIMO設計而變得更加復雜且需要支持越來越多的載波聚合組合。隨著高階版LTE進化到 高階版LTE Pro, 載波聚合組合的數量呈指數級增長,2015年只有200種CA組合,兩年后,這一階段的組合數 量將超過1000種。

        

      集成和技術創新創造新機會并將射頻器件推向新高

       

        防止SKU激增的器件集成

        10年前,智能手機只需要支持大約5個頻段,就能被認為是“全球通手機”,而現在的LTE制式大約有50個頻段, 甚至還沒算上可能的載波聚合組合。就在幾年前,OEM廠商還可以在全球范圍內發布單一SKU智能手機,盡 管這在當時是一個挑戰。如今發布的大多數智能手機都至少有2到4個版本,以解決支持全球所有主要網絡的 問題。蘋果是唯一一家通過iPhone 4S實現全球單一SKU的高端智能手機OEM廠商,但這可能是高產量設備實 現這一目標的最后一次機會,尤其是在LTE技術進步的情況下。蘋果iPhone 4S只需應對相對較少頻帶的3G技 術,一旦蘋果進入到LTE時代,單一SKU不再是一種選擇。2012年9月底新發布的iPhone 5有三個不同的型號, 每個型號支持一組不同的LTE頻段。智能手機留給RF器件的空間有限,為了支持越來越多的頻段,這些器件 必須彼此集成到模塊中。此外,像功率放大器(PA)這樣的器件不僅必須支持一組頻段,還必須支持多種制式。 這些多制式、多波段的PA被其他器件所包圍,例如集成了RF開關、雙工器和濾波器的前端模塊。

        

      集成和技術創新創造新機會并將射頻器件推向新高

       

        與今天的旗艦智能手機相比,看一看早期的LTE智能手機RF前端的地位,就凸顯了器件集成的重要性。例如, 2012年的三星Galaxy SIII中發現的主要射頻器件中,只有6%被集成在模塊中,而這些器件占了RFFE物料成 本(BOM)的26%(不包括RF Transceivers)。相比之下,模塊化器件占了三星Galaxy S8 Plus中RFFE BOM的 87%。

        并不是所有的OEM廠商都會采用相同的方法來進行射頻器件集成,這取決于智能手機的目標市場;他們可能會 選擇使用分立和集成射頻前端混合的方式。Skyworks、Qorvo和高通等射頻供應商提供了各種級別的集成射 頻器件。對于專注于入門級、本地或運營定制手機的OEM廠商來說,他們可能會選擇在設計中使用更多的分 立射頻。然而,即便是區域性的手機,模塊化的程度也越來越高。對于區域性的手機SKU來說, OEM廠商會

        使用集成的方式來處理信號放大和開關,只會使用分立的濾波器和雙工器。結合了開關和濾波器的前端模塊 (FEM)可以在分集接收通道中使用,以方便載波聚合。除了分集接收的前端模塊之外,對于大多數全球旗艦智 能手機設計來說,OEM廠商正在轉向集成的前端模塊,用于主傳輸和接收部分,其中一些設計可以覆蓋由智 能手機支持的低、中、高頻帶。一般來說在同類設計和定價的智能手機中,射頻前端的集成水平和射頻部分 的BOM成本之間有直接的關系。

        模塊化推進,濾波器搖旗吶喊

        雖然智能手機中的器件越來越模塊化,但每個單元中使用的濾波器的數量預計會隨著時間的推移而增加。對 于每一個由手機支持的射頻頻段,都可以有兩個或以上的濾波器。因此, 每個手機的濾波器數量 (集成或其他) 將繼續隨著時間的推移而增加,一些手機的單一型號要支持30多個LTE頻段,每部手機可能會有超過70個濾 波器。這是一種持續化趨勢,特別是在高端智能手機市場中。為了使手機能夠適應未來需要的濾波器的數量, 射頻濾波器將需要進一步集成到模塊中,并整合其他功能,如天線開關和功率放大器。

        系統級別的專業知識:在射頻中獲勝不僅僅需要器件集成

        由于當前的高端智能手機支持如此多的頻段和制式,因此,對射頻供應商擁有系統級專業知識的需求從未如 此之大。最成功的射頻供應商將是那些擁有對于不同的產品組合的系統級協同設計能力,包括數字基帶和天 線。這些供應商將能夠滿足客戶最廣泛的需求。這些需求包括生產出性能強大而低功耗的設備,同時提供給 智能手機持續的最快的下載和上傳速度。此外,OEM廠商必須滿足移動網絡運營商的需求,使他們的設備能 夠盡可能高效地與網絡進行通訊。很少有供應商能夠將整個RF前端功能與他們的產品組合在一起,這是為什 么只有少數廠商稱霸移動手機射頻器件市場的一個最主要的原因。

        在智能手機市場上,當前的集成射頻前端設計將成為未來幾年智能手機過渡到支持5G技術的基礎。隨著新的 無線電設計的實現,以及越來越多的軟件控制,RFFE將不得不支持更廣泛的頻段。射頻頻率的范圍將由 700MHz到5GHz擴展為600MHz到60GHz,盡管更高的頻率不具備移動性。此外,還會出現更高階的調制和 更多的空中接口技術,這將增加射頻復雜性。5G帶來的性能挑戰不能僅由器件集成解決,而是需要在系統級 別以及RFFE內部解決。展望未來,RFFE必須針對系統級別的可調性進行優化,而諸如包絡跟蹤和天線調優 等技術將是設備的必需品,以滿足用戶對性能、能效和電池壽命的更高期望。在本系列的下一篇文章中,IHS Markit將深入研究包絡跟蹤技術,闡述其重要性的原因,以及它目前和未來在全球的LTE設備中的流行程度。

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