射频前端的一体化设计决定下一代移动设备

2017-09-28 17:45:07 来源:ABI Research
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随着移动行业向下一代网络迈进,整个行业将面临射频组件匹配,模块架构和电路设计上的挑战

直到早期的LTE网络部署,射频系统的设计涉及较少数量的前端组件,也因此相对的简单与直接。当无线网络开始升级成LTE-Advanced,射频前端的设计愈发复杂。与此同时,载波聚合、多输入多输出(MIMO)、多样性接收模块和包络跟踪等各类技术让4G网络变得更加高效和稳定。


全球众多的LTE频段组合早已增加射频设计的复杂性。为了支持繁多的频段与频段组合,移动设备需要更多的射频组件。由于智能手机内部设计的局限性,加上手机电源与整体外形设计上的限制,射频前端需要精心设计才能够优化设备的整体性能并减少信号的干扰。该设计要避免对手机的工业设计、可靠性和功能性造成任何负面影响,同时需要支持手机的创新特性与功能。


随着整个行业向LTE-Advanced Pro与5G迈进,射频前端的设计将变得更为复杂。新的无线网络需要更多的射频前端功能,包括高阶多输入多输出与大规模多输入多输出、智能天线系统以及复杂的滤波功能。目前一台支持双载波聚合的高端智能手机的射频前端组件数量已经是一台标准的3G智能手机的七倍之多,而且这个数量预计会随着无线网络升级成LTE-Advanced Pro与5G而翻倍。

 

恰到好处的设计考量

虽然射频前端的设计日益复杂,但智能手机的射频组件靠以下三种方式减少了物理空间的使用:

  • 缩小面积的半导体工艺:这个工艺的发展让一些分立组件的体积在过去几年中大幅度缩小。一反以往,砷化镓(GaAs)和硅锗(SiGe)等的新材料的出现已经使功率放大器(PA)的尺寸减小。与此同时,目前的收发器和低噪声放大器(LNA)的尺寸也因采用28纳米及以下的缩小面积的半导体工艺而减少。
  • 先进的封装技术:芯片级声表封装(Chip-Sized SAW Packaging,CSSP)、裸片级声表封装(Die-Sized SAW Packaging,DSSP)、薄膜声学封装技术(Thin-Film Acoustic Packaging,TFAP)、CuFlip以及晶圆级封装(Wafer-Level Packaging,WLP)等新型封装技术使许多射频前端组件,包括滤波器,双工器和多路复用器,得以大幅度缩小。除了组件级小型化之外,这些技术还在系统级别上,通过减少材料清单和简化与其他组件(包括天线开关和收发器)的集成,节省了大量成本。
  • 增加组件的物理集成: Murata,Skyworks,Avago,EPCOS,Qorvo等供应商所推出的集成解决方案不断地加速主要射频前端组件,如过滤器,PA,双工器和交换机的集成和模块化。这些方案通过集成某些组件于同一封装来缩小射频前端的尺寸,对减少总体尺寸至关重要。

 

物理集成的概念正在通过新的封装解决方案进一步扩展。其中,与双工器集成的前端模块(FEMiD)及与双工器集成的PA模块(PAMiD)将各种组件,如PA,开关,发射机的低通滤波器和接收器的SAW滤波器集成到前端模块。由于各类射频组件的异构性质和信号干扰,并非所有组件都适合集成,但这些新型集成模块有助于降低复杂性,并减少使用空间。


此外,瞄准单一市场的入门级智能手机中所采用的分立组件设计与销售全球的高端智能手机中所采用的射频前端设计有着非常明确的界线。显然,后者更高级别的组件集成和精细设计能提供更卓越的性能与表现。多数的大型OEM厂商越来越多地为其旗舰机型采用单一的射频前端,以降低运营成本并优化用户体验。目前受到广泛采用的是PAMiD。与此同时,OEM厂商也不愿意设计大量瞄准单一市场的智能手机型号。因此,FEMiD的采用让厂商能针对不同的区域市场设计手机,通过模块的轻松替换来支持不同频段组合。


射频前端日益复杂化,与其相关组件数量的日益增长,都将显著影响到智能手机的工业设计。 手机厂商必须确保其设备能够将这些高端技术及其对射频前端的要求集成到智能手机中,而不会影响以下任何一个方面:

  • 上市时间
  • 价钱
  • 性能
  • 能量消耗
  • 成熟的设计元素(例如尺寸,薄度,显示尺寸,金属外壳的采用等)

 

对智能手机供应商而言,任何重大延误都可能是灾难性的。随着智能手机市场的日益成熟以及持续的激烈竞争,如何保持竞争力对于OEM厂商至关重要。更重要的是,OEM厂商对下一代无线网络寄予厚望,期望通过网络的提升刺激手机升级的需求并且加速更换周期。


毋庸置疑,无线网络的提升也给所有在价值链上的企业带来更多的挑战。由于射频前端日益复杂,射频前端架构及组件的供应商等企业都在积极寻求最优良的和具有成本效益的管理与解决方案。因此,能提供射频前端标准模块以及端到端解决方案的供应商的出现对OEM厂商而言犹如久旱逢甘霖,大大加快他们的射频前端设计流程和手机上市时间。正如ABI Research的Teardown服务中的智能手机型号分析,射频系统增强与其硅片面积是相联系的。换言之,有着相同的射频设计的射频板,其面积会随着系统对新功能的支持与新组件的加入而相应地显著增加。然而,使用精密设计的射频系统可以使射频板面积更紧凑,体积更小。例如三星Galaxy S8很好地处理了射频复杂性,其具有许多高端射频组件,如下行支持四载波聚合、上行支持二载波聚合、4发4收MIMO、动态天线调谐和包络跟踪。很显然的,射频前端的复杂性让大部分的手机厂商大吃苦头,而且整个行业到目前为止仍然缺乏标准的实施方案。其中主要的问题包括如何平衡因前端组件的增加而带来的显著功耗和对手机外观设计的影响。面对这些挑战,有些手机厂商甚至选择延迟推出新型号手机,为了争取更多的时间来确保手机正常操作,避免最后沦落为虚有其表的产品。


与OEM制造商恰恰相反,射频组件供应商则为了满足智能手机厂商和运营商的要求,选择生产定制产品,进而影响他们的整体利润。通过射频供应链一系列的合理化,这种业务上的威胁开始有所缓和。TriQuint Semiconductor和RF Micro Devices合并成为Qorvo。Qualcomm则选择和TDK EPCOS成立合资公司RF360。此外,Murata的收购使其能够获得PA和射频开关技术,使其能够独自无缝制造所有关键射频组件。 预计未来几年,更深入的射频系统集成以及对市场份额的竞争将迎来更多的行业整合和合作。


射频市场的领先地位将取决于组件和系统级的创新和整合
显然的,射频组件的硬件集成对于将下一代网络技术带入智能手机参考设计扮演着关键的角色。除非将来射频行业里出现更多的合作和针对性整合,手机厂商将面临射频技术上巨大的挑战,特别是随着更高级别的载波聚合、4发4收MIMO与5G的通讯技术在智能手机里的广泛应用,还有随之而来的工业设计和电源管理方面的难题。


虽然全面和高性能的射频组件和模块的重要性是不置可否的, 它们仍然未被大部分的移动设备所采用。如果要让下一代的移动设备能具备更多新网络技术与功能,整个行业需要更多与射频有关的创新。随着市场向LTE-Advanced Pro和5G迈进,组件的物理集成并不足以应对射频前端所面临的挑战。高度集成的射频前端系统设计将是促进这一转型的关键。


毫无疑问,射频前端系统设计和平台化对于智能手机能否承载更多异构组件至关重要。这些异构组件,如MIMO系统,智能天线系统和波束跟踪器,在下一代网路扮演着不可或缺的角色。随着射频系统在下行链路和上行链路层变得更加复杂,新的系统集成技术,例如包络跟踪器和动态天线调谐器的集成将成为提高整个射频系统性能的必要条件,再加上更多的频谱带,包括C波段、mm波和cm波将被开启以支持5G,射频解决方案和设计的未来商机和挑战更是不言而喻。


与此同时,供应商们也必须抓住机会提供先进的射频前端系统设计,不仅是核心的射频前端技术和先进的模块集成,还提供调制解调器到天线的射频解决方案。这些高端解决方案将有助于满足智能手机行业的迫切需求,使OEM厂商们能够更专注于客户体验,为客户们及时提供更可靠的设备。这些方案也能让OEM厂商们不用花太多的精力处理日益增长的射频前端组件及其供应商们。


目前,这些高端设计主要源自于系统集成商,如高通、英特尔、清华(展讯和RDA的控股公司)、三星和华为,而并非传统的射频组件供应商。在这些系统集成商中,高通是目前的领航者。该公司不仅研发了以调制解调器为基础的新型射频前端技术,如包络追踪和天线调谐,还通过有针对性的收购和成立合资企业,如TDK(EPCOS)、Nujira和Black Sand,来创造出高度集成的封装射频解决方案以弥补其在射频专业技术的不足。


高通这一系列的策略不仅让高通能更好的面对即将来临的5G及其所带来的挑战,更成为在供应链中其他供应商的生存之道。所有的供应商必须能够为智能手机厂商提供创建下一代设备的利器。因此,预计在未来12个月内,主要供应商和系统集成商将不断合并单一产品的厂商和部分组件供应商。剧烈的市场竞争也可能导致一些射频组件供应商退出智能手机市场。

 

作者为:David McQueen, ABI Research研究总监,和Malik Saadi, ABI Research总监兼副总裁

 

 

 
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