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      射頻前端的一體化設計決定下一代移動設備

      分類:
      行業資訊
      作者:
      來源:
      2019/01/23
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      【摘要】:
      隨著移動行業向下一代網絡邁進,整個行業將面臨射頻組件匹配,模塊架構和電路設計上的挑戰?! ≈钡皆缙诘腖TE網絡部署,射頻系統的設計涉及較少數量的前端組件,也因此相對的簡單與直接。當無線網絡開始升級成LTE-Advanced,射頻前端的設計愈發復雜。與此同時,載波聚合、多輸入多輸出(MIMO)、多樣性接收模塊和包絡跟蹤等各類技術讓4G網絡變得更加高效和穩定?! ∪虮姸嗟腖TE頻段組合早已增加射頻設

        隨著移動行業向下一代網絡邁進,整個行業將面臨射頻組件匹配,模塊架構和電路設計上的挑戰。

        直到早期的LTE網絡部署,射頻系統的設計涉及較少數量的前端組件,也因此相對的簡單與直接。當無線網絡開始升級成LTE-Advanced,射頻前端的設計愈發復雜。與此同時,載波聚合、多輸入多輸出(MIMO)、多樣性接收模塊和包絡跟蹤等各類技術讓4G網絡變得更加高效和穩定。

        全球眾多的LTE頻段組合早已增加射頻設計的復雜性。為了支持繁多的頻段與頻段組合,移動設備需要更多的射頻組件。由于智能手機內部設計的局限性,加上手機電源與整體外形設計上的限制,射頻前端需要精心設計才能夠優化設備的整體性能并減少信號的干擾。該設計要避免對手機的工業設計、可靠性和功能性造成任何負面影響,同時需要支持手機的創新特性與功能。

        隨著整個行業向LTE-Advanced Pro與5G邁進,射頻前端的設計將變得更為復雜。新的無線網絡需要更多的射頻前端功能,包括高階多輸入多輸出與大規模多輸入多輸出、智能天線系統以及復雜的濾波功能。目前一臺支持雙載波聚合的高端智能手機的射頻前端組件數量已經是一臺標準的3G智能手機的七倍之多,而且這個數量預計會隨著無線網絡升級成LTE-Advanced Pro與5G而翻倍。

        恰到好處的設計考量

        雖然射頻前端的設計日益復雜,但智能手機的射頻組件靠以下三種方式減少了物理空間的使用:

        縮小面積的半導體工藝:這個工藝的發展讓一些分立組件的體積在過去幾年中大幅度縮小。一反以往,砷化鎵(GaAs)和硅鍺(SiGe)等的新材料的出現已經使功率放大器(PA)的尺寸減小。與此同時,目前的收發器和低噪聲放大器(LNA)的尺寸也因采用28納米及以下的縮小面積的半導體工藝而減少。

        先進的封裝技術:芯片級聲表封裝(Chip-Sized SAW Packaging,CSSP)、裸片級聲表封裝(Die-Sized SAW Packaging,DSSP)、薄膜聲學封裝技術(Thin-Film Acoustic Packaging,TFAP)、CuFlip以及晶圓級封裝(Wafer-Level Packaging,WLP)等新型封裝技術使許多射頻前端組件,包括濾波器,雙工器和多路復用器,得以大幅度縮小。除了組件級小型化之外,這些技術還在系統級別上,通過減少材料清單和簡化與其他組件(包括天線開關和收發器)的集成,節省了大量成本。

        增加組件的物理集成: Murata,Skyworks,Avago,EPCOS,Qorvo等供應商所推出的集成解決方案不斷地加速主要射頻前端組件,如過濾器,PA,雙工器和交換機的集成和模塊化。這些方案通過集成某些組件于同一封裝來縮小射頻前端的尺寸,對減少總體尺寸至關重要。

        物理集成的概念正在通過新的封裝解決方案進一步擴展。其中,與雙工器集成的前端模塊(FEMiD)及與雙工器集成的PA模塊(PAMiD)將各種組件,如PA,開關,發射機的低通濾波器和接收器的SAW濾波器集成到前端模塊。由于各類射頻組件的異構性質和信號干擾,并非所有組件都適合集成,但這些新型集成模塊有助于降低復雜性,并減少使用空間。

        此外,瞄準單一市場的入門級智能手機中所采用的分立組件設計與銷售全球的高端智能手機中所采用的射頻前端設計有著非常明確的界線。顯然,后者更高級別的組件集成和精細設計能提供更卓越的性能與表現。多數的大型OEM廠商越來越多地為其旗艦機型采用單一的射頻前端,以降低運營成本并優化用戶體驗。目前受到廣泛采用的是PAMiD。與此同時,OEM廠商也不愿意設計大量瞄準單一市場的智能手機型號。因此,FEMiD的采用讓廠商能針對不同的區域市場設計手機,通過模塊的輕松替換來支持不同頻段組合。

        射頻前端日益復雜化,與其相關組件數量的日益增長,都將顯著影響到智能手機的工業設計。 手機廠商必須確保其設備能夠將這些高端技術及其對射頻前端的要求集成到智能手機中,而不會影響以下任何一個方面:

        上市時間

        價錢

        性能

        能量消耗

        成熟的設計元素(例如尺寸,薄度,顯示尺寸,金屬外殼的采用等)

        對智能手機供應商而言,任何重大延誤都可能是災難性的。隨著智能手機市場的日益成熟以及持續的激烈競爭,如何保持競爭力對于OEM廠商至關重要。更重要的是,OEM廠商對下一代無線網絡寄予厚望,期望通過網絡的提升刺激手機升級的需求并且加速更換周期。

        毋庸置疑,無線網絡的提升也給所有在價值鏈上的企業帶來更多的挑戰。由于射頻前端日益復雜,射頻前端架構及組件的供應商等企業都在積極尋求最優良的和具有成本效益的管理與解決方案。因此,能提供射頻前端標準模塊以及端到端解決方案的供應商的出現對OEM廠商而言猶如久旱逢甘霖,大大加快他們的射頻前端設計流程和手機上市時間。正如ABI Research的Teardown服務中的智能手機型號分析,射頻系統增強與其硅片面積是相聯系的。換言之,有著相同的射頻設計的射頻板,其面積會隨著系統對新功能的支持與新組件的加入而相應地顯著增加。然而,使用精密設計的射頻系統可以使射頻板面積更緊湊,體積更小。例如三星Galaxy S8很好地處理了射頻復雜性,其具有許多高端射頻組件,如下行支持四載波聚合、上行支持二載波聚合、4發4收MIMO、動態天線調諧和包絡跟蹤。很顯然的,射頻前端的復雜性讓大部分的手機廠商大吃苦頭,而且整個行業到目前為止仍然缺乏標準的實施方案。其中主要的問題包括如何平衡因前端組件的增加而帶來的顯著功耗和對手機外觀設計的影響。面對這些挑戰,有些手機廠商甚至選擇延遲推出新型號手機,為了爭取更多的時間來確保手機正常操作,避免最后淪落為虛有其表的產品。

        與OEM制造商恰恰相反,射頻組件供應商則為了滿足智能手機廠商和運營商的要求,選擇生產定制產品,進而影響他們的整體利潤。通過射頻供應鏈一系列的合理化,這種業務上的威脅開始有所緩和。TriQuint Semiconductor和RF Micro Devices合并成為Qorvo。Qualcomm則選擇和TDK EPCOS成立合資公司RF360。此外,Murata的收購使其能夠獲得PA和射頻開關技術,使其能夠獨自無縫制造所有關鍵射頻組件。 預計未來幾年,更深入的射頻系統集成以及對市場份額的競爭將迎來更多的行業整合和合作。

        射頻市場的領先地位將取決于組件和系統級的創新和整合

        顯然的,射頻組件的硬件集成對于將下一代網絡技術帶入智能手機參考設計扮演著關鍵的角色。除非將來射頻行業里出現更多的合作和針對性整合,手機廠商將面臨射頻技術上巨大的挑戰,特別是隨著更高級別的載波聚合、4發4收MIMO與5G的通訊技術在智能手機里的廣泛應用,還有隨之而來的工業設計和電源管理方面的難題。

        雖然全面和高性能的射頻組件和模塊的重要性是不置可否的, 它們仍然未被大部分的移動設備所采用。如果要讓下一代的移動設備能具備更多新網絡技術與功能,整個行業需要更多與射頻有關的創新。隨著市場向LTE-Advanced Pro和5G邁進,組件的物理集成并不足以應對射頻前端所面臨的挑戰。高度集成的射頻前端系統設計將是促進這一轉型的關鍵。

        毫無疑問,射頻前端系統設計和平臺化對于智能手機能否承載更多異構組件至關重要。這些異構組件,如MIMO系統,智能天線系統和波束跟蹤器,在下一代網路扮演著不可或缺的角色。隨著射頻系統在下行鏈路和上行鏈路層變得更加復雜,新的系統集成技術,例如包絡跟蹤器和動態天線調諧器的集成將成為提高整個射頻系統性能的必要條件,再加上更多的頻譜帶,包括C波段、mm波和cm波將被開啟以支持5G,射頻解決方案和設計的未來商機和挑戰更是不言而喻。

        與此同時,供應商們也必須抓住機會提供先進的射頻前端系統設計,不僅是核心的射頻前端技術和先進的模塊集成,還提供調制解調器到天線的射頻解決方案。這些高端解決方案將有助于滿足智能手機行業的迫切需求,使OEM廠商們能夠更專注于客戶體驗,為客戶們及時提供更可靠的設備。這些方案也能讓OEM廠商們不用花太多的精力處理日益增長的射頻前端組件及其供應商們。

        目前,這些高端設計主要源自于系統集成商,如高通、英特爾、清華(展訊和RDA的控股公司)、三星和華為,而并非傳統的射頻組件供應商。在這些系統集成商中,高通是目前的領航者。該公司不僅研發了以調制解調器為基礎的新型射頻前端技術,如包絡追蹤和天線調諧,還通過有針對性的收購和成立合資企業,如TDK(EPCOS)、Nujira和Black Sand,來創造出高度集成的封裝射頻解決方案以彌補其在射頻專業技術的不足。

        高通這一系列的策略不僅讓高通能更好的面對即將來臨的5G及其所帶來的挑戰,更成為在供應鏈中其他供應商的生存之道。所有的供應商必須能夠為智能手機廠商提供創建下一代設備的利器。因此,預計在未來12個月內,主要供應商和系統集成商將不斷合并單一產品的廠商和部分組件供應商。劇烈的市場競爭也可能導致一些射頻組件供應商退出智能手機市場。

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