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新時代下射頻前端的發展方向
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隨著移動行業向下一代網路邁進,整個行業將面臨射頻元件匹配,模組架構和電路設計上的挑戰。

直到早期的LTE網路部署,射頻系統的設計涉及較少數量的前端元件,也因此相對的簡單與直接。當無線網路開始升級成LTE-Advanced,射頻前端的設計愈發複雜。與此同時,載波聚合、多輸入多輸出(MIMO)、多樣性接收模組和包絡跟蹤等各類技術讓4G網路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複雜性。為了支援繁多的頻段與頻段組合,移動設備需要更多的射頻元件。由於智慧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並減少信號的幹擾。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,同時需要支援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複雜。新的無線網路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、智慧天線系統以及複雜的濾波功能。目前一台支持雙載波聚合的高端智慧手機的射頻前端元件數量已經是一台標準的3G智慧手機的七倍之多,而且這個數量預計會隨著無線網路升級成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複雜,但智慧手機的射頻元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元件的體積在過去幾年中大幅度縮小。一反以往,砷化鎵(GaAs)和矽鍺(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,目前的收發器和低雜訊放大器(LNA)的尺寸也因採用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:晶片級聲表封裝(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元件,包括濾波器,雙工器和多工器,得以大幅度縮小。除了元件級小型化之外,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元件(包括天線開關和收發器)的集成,節省了大量成本。

·增加元件的物理集成: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元件,如篩檢程式,PA,雙工器和交換機的集成和模組化。這些方案通過集成某些元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組(FEMiD)及與雙工器集成的PA模組(PAMiD)將各種元件,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組。由於各類射頻元件的異構性質和信號幹擾,並非所有元件都適合集成,但這些新型集成模組有助於降低複雜性,並減少使用空間。

此外,瞄準單一市場的入門級智慧手機中所採用的分立元件設計與銷售全球的高端智慧手機中所採用的射頻前端設計有著非常明確的界線。顯然,後者更高級別的元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採用單一的射頻前端,以降低運營成本並優化用戶體驗。目前受到廣泛採用的是PAMiD。與此同時,OEM廠商也不願意設計大量瞄準單一市場的智慧手機型號。因此,FEMiD的採用讓廠商能針對不同的區域市場設計手機,通過模組的輕鬆替換來支援不同頻段組合。

射頻前端日益複雜化,與其相關組件數量的日益增長,都將顯著影響到智慧手機的工業設計。 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慧手機中,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
·成熟的設計項目(例如尺寸,薄度,顯示尺寸,金屬外殼的採用等)

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

毋庸置疑,無線網路的提升也給所有在價值鏈上的企業帶來更多的挑戰。由於射頻前端日益複雜,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組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服務中的智慧手機型號分析,射頻系統增強與其矽片面積是相聯繫的。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援與新元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很好地處理了射頻複雜性,其具有許多高端射頻元件,如下行支援四載波聚合、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,射頻前端的複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元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,避免最後淪落為虛有其表的產品。

與OEM製造商恰恰相反,射頻元件供應商則為了滿足智慧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合併成為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,使其能夠獨自無縫製造所有關鍵射頻元件。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於元件和系統級的創新和整合
顯然的,射頻元件的硬體集成對於將下一代網路技術帶入智慧手機參考設計扮演著關鍵的角色。除非將來射頻行業裡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的通訊技術在智慧手機裡的廣泛應用,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元件和模組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採用。如果要讓下一代的移動設備能具備更多新網路技術與功能,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,元件的物理集成並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於智慧手機能否承載更多異構元件至關重要。這些異構元件,如MIMO系統,智慧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複雜,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組集成,還提供數據機到天線的射頻解決方案。這些高端解決方案將有助於滿足智慧手機行業的迫切需求,使OEM廠商們能夠更專注於客戶體驗,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,而並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數據機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慧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併單一產品的廠商和部分元件供應商。劇烈的市場競爭也可能導致一些射頻元件供應商退出智慧手機市場。
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