5G射频前端模组：演进之路与未来展望

发布时间：2022-01-10 09:39:26

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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射频前端在无线通信系统中性能的优劣直接影响着整个通信系统的稳定性和可靠性。在过去的十几年中，射频前端技术经历了一场深刻的变革，其中模组化成为了一个重要的演进方向。射频前端模组化，简单来说，就是将多个原本独立的射频前端组件（如功率放大器、开关、低噪声放大器和滤波器等）集成到一个模块中，从而实现更高的集成度和更小的尺寸。这种集成方式不仅提高了系统的稳定性和可靠性，还降低了生产成本，使得模组化方案在市场中逐渐占据主导地位。

模组化的演进并非一蹴而就，它经历了从分立方案到集成方案的转变。在3G及4G的早期时代，由于手机需要覆盖的频段相对较少，射频前端一般采用分立方案，即各个组件独立存在，通过外部连接实现功能。然而，随着4G多频多模时代的到来，手机需要支持越来越多的频段，这使得射频前端变得越来越复杂，分立方案已经无法满足高集成度、高性能的需求。因此，集成模组方案开始得到广泛应用，通过将多个组件集成到一个模块中，实现了更高的集成度和更小的尺寸。在模组化方案中，最具代表性的是发射通路的PAMiD模组。PAMiD是集成了功率放大器、开关与滤波器的模组，它能够实现高性能、高集成度、小尺寸及高易用性。最早的PAMiD可以追溯到2000年初，当时一些先驱型射频前端公司开始尝试集成模组化，并取得了开创性的成果。随着技术的不断发展，越来越多的厂商开始采用模组化方案，尤其是在高端手机市场，模组化已经成为主流选择。

然而，模组化也面临着一些挑战。首先，模组化需要更高的设计和生产技术水平，以确保各个组件之间的协同工作。其次，模组化可能会导致成本的增加，因为需要投入更多的研发和生产资源。此外，模组化的通用性和可扩展性也是需要考虑的问题。射频前端模组化将继续向更高集成度、更高性能的方向发展。同时，随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，射频前端模组化也将面临更多的机遇和挑战。我相信，在不久的将来，我们将看到更加先进、更加高效的射频前端模组化产品问世，为无线通信系统的发展注入新的活力。

在报道中提到的Triquint公司，其TritiumTM系列集成模组产品在业界具有重要地位。特别是当苹果公司在2008年推出的首款支持3G的iPhone 3G手机中首次采用了这种模组方案，它标志着模组化方案在智能手机领域的开始，并奠定了Triquint在射频前端领域的领先地位。值得注意的是，Triquint在模组化设计方面的优势并未因时间的推移而消失。相反，在与RFMD公司合并后成立的Qorvo公司中，这种优势得到了延续。事实上，当年参与设计业界首款集成模组的Triquint团队中的成员，至今仍活跃在业界一线，继续推动着行业的发展。

与此同时，Agilent公司也是射频前端模组领域的另一重要力量。作为有着悠久历史和传承的射频前端厂商，Agilent凭借其在FBAR滤波器技术方面的领先地位，成功将射频功率放大器与滤波器整合，推出了高性能的集成模组产品。尽管在早期，Agilent的射频功率放大器并不占优势，但随着新工艺和新功率合成架构的发展，其集成模组产品逐渐取得了成功，并被广泛应用于iPhone系列手机中。2010年，苹果推出的iPhone 4手机，凭借其出色的销量和影响力，进一步推动了模组化方案在智能手机中的普及。而在后续的产品中，苹果继续坚定地采用模组化方案，与Triquint、Avago及Skyworks等供应商合作，共同推动射频前端模组技术的发展。模组化方案在智能手机中的应用已经成为主流趋势，这不仅得益于供应商在模组化设计方面的不断创新和突破，也离不开苹果等手机厂商对模组化方案的坚定支持和推广。未来，随着5G技术的不断发展和普及，射频前端模组技术将继续迎来新的挑战和机遇，我们期待看到更多创新和突破的出现。

射频前端供应商纷纷投入模组化的研发，力图通过模块整合实现性能与成本的优化。这一趋势的背后，是无线通信技术的快速发展和手机市场的激烈竞争。为了实现模组化的优势整合，一系列射频前端公司进行了合并。例如，RFMD与Triquint合并成为Qorvo公司，Skyworks与松下成立合资公司并最终全资收购。此外，高通也与TDK成立合资公司RF360，但随后将其全资收入旗下。这些合并不仅加强了射频前端供应商的实力，也推动了模组化技术的发展。除了苹果手机的定制化射频前端模组方案外，各供应商开始将模组化产品推向公开市场。Skyworks推出了SkyOne®方案，Qorvo推出了RF FusionTM方案。这些方案将多频功率放大器、开关及滤波、双工通信及控制功能整合在一个单一、超集成封装中，显著提高了集成度和性能。

PAMiD模组化方案虽然性能优越，但其供应劣势也较为明显。厂商需要同时掌握有源及无源等能力，才能设计出PAMiD模组。因此，只有少数具有完整资源的厂商能够胜任这一任务。为了摆脱对PAMiD厂商的依赖，华为、三星等终端公司开始推动FEMiD方案。这种方案将天线开关及滤波器整合为一个模组，交由滤波器公司提供；PA则采用分立方案，由PA公司提供。这种分工合作的方式有效发挥了无源公司与有源公司的特长。早期公开市场的模组化方案推广并不顺利。由于Skyworks与Qorvo各自定义的方案不兼容，给平台适配和客户使用带来了困扰。为了解决这一问题，MTK平台、国内头部手机厂商及Skyworks/Qorvo射频前端厂商联合发起了Phase6系列射频前端集成方案定义。这一方案归一化，得到了众多手机厂商的认可，并在高端手机中得到了广泛应用。随着5G时代的到来，Phase6系列方案进一步演进至Phase7/7L，依然维持PAMiD模组化定义。

5G的到来对手机终端提出了更高的要求。手机需要支持更多的频段，尤其是5G定义的超高频（UHB）频段，对射频前端性能提出了更高的挑战。经过两年的方案迭代，5G射频前端方案已基本收敛，主要分为Phase7系列方案及Phase5N两种方案。这两种方案在Sub-6GHz UHB新频段部分采用相同的L-PAMiF集成模组方案，而在Sub-3GHz频段则分别采用PAMiD模组方案和Phase5N分立方案。通过模组化，可以实现射频前端各模块的优势整合，提高性能并降低成本。然而，模组化的推广也面临着一些挑战，如技术兼容性和供应链管理等。随着5G技术的不断发展和市场的不断变化，射频前端供应商需要不断创新和完善模组化方案，以满足市场需求并实现可持续发展。

Sub-6GHz UHB频段对于5G技术发展的重要性，这一频段作为5G新增频段，其高频率和大功率特性使得5G通信在数据传输速度和容量上有了显著提升。同时，为了满足复杂的应用需求，如SRS切换等，集成了LNA、PA、滤波器、收发开关及SRS开关的L-PAMiF成为主流选择。在Sub-6GHz UHB L-PAMiF产品的发展中，国产厂商近年来取得了显著的突破。以慧智微为例，在2019年中国5G正式商用不久之后，其n77/78/79双频L-PAMiF S55255-11就实现了量产，这是国产射频前端厂商首次与国际厂商同时同质推出产品，充分展示了国产厂商在5G射频前端技术上的实力。随后，S55255系列产品得到了国际头部手机终端的认可，并在多个国际奖项中获得了荣誉。

随着技术的不断进步，国产UHB L-PAMiF产品在未来将越来越具有竞争力。然而，相比于Sub-6GHz，Sub-3GHz模组在设计上面临不同的挑战。虽然其频率和功率较低，但由于频段众多，需要集成的滤波器及双工器数量更多，且对滤波器资源的获取和多频段系统设计能力提出了更高要求。全集成模组本身就是一个复杂的系统，涉及发射与接收之间的隔离、各频段之间的抑制及载波聚合的通路设计等问题。这要求射频前端厂商不仅要有模块内每个主要电路的成熟设计及产品化能力，还需要具备强大的系统分析与设计能力。目前，Sub-3GHz模组设计中，小型化可集成的滤波器资源尤为稀缺，WLP和CSP两种封装结构的滤波器是目前的主要选择。其中，WLP滤波器因其尺寸小、与模组内其他模块设计上的优势，被认为是未来模组内滤波器的发展方向。

国内射频前端厂商在Sub-3GHz模组设计上仍面临诸多挑战。在未能完全突破这些挑战的情况下，国内厂商目前只能提供分立方案。然而，射频前端模组作为国内射频前端厂商必须攻克的产品类别，其重要性不言而喻。慧智微作为国内较早在这一产品方向上进行积累的厂商，其PA/LNA模块采用的可重构架构在模组产品设计中具有显著优势，如集成度更高、具有软件调谐特性以及经过验证的封装管控能力等。