高端智能手机芯片里的“外交官”:射频前端

原标题:中国射频前端产业现状分析

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。

射频是无线产品中一个关键部件,进入了5G时代,其背后牵动的价值尤为重要。但和很多的其他核心半导体元器件产品一样,我们国内企业的水平差距依然明显。

射频前端与智能终端一同进化

射频前端芯片包括射频开关、射频低噪声放大器、射频功率放大器、双工器、射频滤波器等芯片。射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换、不同频段间的切换;射频低噪声放大器用于实现接收通道的射频信号放大;射频功率放大器用于实现发射通道的射频信号放大;射频滤波器用于保留特定频段内的信号,而将特定频段外的信号滤除;双工器用于将发射和接收信号的隔离,保证接收和发射在共用同一天线的情况下能正常工作。智能手机通信系统结构示意图如下。

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。

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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。

射频前端结构示意图

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。

射频前端芯片是移动智能终端产品的核心组成部分,追求低功耗、高性能、低成本是其技术升级的主要驱动力,也是芯片设计研发的主要方向。射频前端芯片与处理器芯片不同,后者依靠不断缩小制程实现技术升级,而作为模拟电路中应用于高频领域的一个重要分支,射频电路的技术升级主要依靠新设计、新工艺和新材料的结合。

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。

行业中普遍采用的器件材料和工艺平台包括 RF
CMOS、SOI、砷化镓、锗硅以及压电材料等,逐渐出现的新材料工艺还有氮化镓、微机电系统等,行业中的各参与者需在不同应用背景下,寻求材料、器件和工艺的最佳组合,以提高射频前端芯片产品的性能。从技术更新换代的特点上来说,射频前端芯片设计行业技术更新速度快,行业中的各参与者均需要不断进行研发,以保证产品在行业中的竞争力。这个市场需求高,但竞争也很激烈。

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。

射频前端芯片市场规模主要受移动终端需求的驱动。近年来,随着移动终端功能的逐渐完善,手机、平板电脑等移动终端的出货量持续上升。根据
Gartner 统计,包含手机、平板电脑、超极本等在内的移动终端的出货量从 2013
年的 22 亿台增长至 2016 年的 24 亿台,预计未来保持稳定。

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。

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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。

2013年以来全球移动终端出货量(含预测)

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。

终端消费者对移动智能终端需求大幅上升的原因,主要是移动智能终端已经成为集丰富功能于一体的便携设备,通过操作系统以及各种应用软件满足终端用户网络视频通信、微博社交、新闻资讯、生活服务、线上游戏、线上视频、线上购物等绝大多数需求。

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。

同时,在基于移动智能终端实现这些需求的过程中,移动数据的数据传输量和传输速度大提升,并将持续快速增长。根据
Yole Development 的研究,2016 年全球每月流量为 960 亿
GB,其中智能手机流量占比为 13%;预计到 2021 年,全球每月流量将达到2,780
亿 GB,其中智能手机流量占比亦大幅提高到 33%。

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。

移动数据传输量和传输速度的不断提高主要依赖于移动通讯技术的变革,及其配套的射频前端芯片的性能的不断提高。在过去的十年间通信行业经历了从
2G(GSM/CDMA/Edge)到 3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA),再到
4G(FDD-LTE/TD-LTE)两次重大产业升级。在 4G
普及的过程中,全网通等功能在高端智能手机中得到广泛应用,体现了智能手机兼容不同通信制式的能力,也成为了检验智能手机通信性能竞争力的核心指标之一。

以上两者都需要射频前端的能力。

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摆在射频前端厂商面前的难题

移动通信技术的变革蓝图

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。

为了提高智能手机对不同通信制式兼容的能力,4G
方案的射频前端芯片数量相比2G 方案和 3G
方案有了明显的增长,单个智能手机中射频前端芯片的整体价值也不断提高。

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。

根据 Yole Development 的统计,2G
制式智能手机中射频前端芯片的价值为 0.9美元,3G 制式智能手机中大幅上升到
3.4 美元,支持区域性 4G 制式的智能手机中射频前端芯片的价值已经达到 6.15
美元,高端 LTE 智能手机中为 15.30 美元,是 2G
制式智能手机中射频前端芯片的 17 倍。因此,在 4G
制式智能手机不断渗透的背景下,射频前端芯片行业的市场规模将持续快速增长。

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。

随着 5G
商业化的逐步临近,现在已经形成的初步共识认为,5G
标准下现有的移动通信、物联网通信标准将进行统一,因此未来在统一标准下射频前端芯片产品的应用领域会被进一步放大。同时,5G
下单个智能手机的射频前端芯片价值亦将继续上升。根据 QYR Electronics
Research Center 的统计,从 2010 年至 2016 年全球射频前端市场规模以每年约
12%的速度增长,2016 年达 114.88 亿美元,未来将以
12%以上的增长率持续高速增长,2020 年接近 190 亿美元。

一个集成化的解决方案是关键

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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。

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