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5G射频前端模组前世与今生

2022-01-05 来源:爱集微

最近十几年中,射频前端方案快速演进。“模组化”是射频前端演进的重要方向。

射频前端的“模组化”究竟是什么, 它是怎么来的,又有什么挑战?

带着以上问题,本文对射频前端模组的发展过程做一个梳理,对射频前端产品模组化进程中的挑战和未来可能的演进做一个讨论。

01.射频前端的模组化是什么?

射频前端是指天线后,收发机之前的部分。射频前端主要有PA(功率放大器)、Switch(开关)、LNA(低噪声放大器)及Filter(滤波器)构成。

射频前端的模组化方案(Integrated Solution)与分立方案(Discrete Solution)相对应。发射通路中的模组化是指将PA与Switch及滤波器(或双工器)做集成,构成PAMiD等方案;接收通路的模组化是指将接收LNA和开关,与接收滤波器集成,构成L-FEM等方案。模组化方案与分立方案的区别如下图所示。

图:分立方案(a)与模组方案(b)实现的射频前端系统

根据模组内集成器件的不同,射频前端模组也有不同的名称。常见的模组名称及集成的器件如下表所示。

表:不同射频前端简写及集成子模块

在3G及4G的早期时代,手机需要覆盖的频段不多,射频前端一般采用分立方案。到了4G多频多模时代,手机需要众多器件才能满足全球频段的支持需求,射频前端也变的越来越复杂;同时,分立方案在一定程度上无法满足高集成度、高性能的需求,集成模组方案得到了规模化采用。目前,iPhone中已经全面采用模组化方案,根据拆机分析网站eWisetech的拆机分析,在2020年至2021年华为、小米、OPPO、vivo、荣耀等多个厂商发布的手机中,处于1500至2000人民币价位带的多款手机已采用模组化方案 [1]。

02.5G射频前端模组的前世

 2000-2009年:

 先驱者的尝试,PAMiD萌芽的10年 

射频前模组方案中,最具代表性的就是发射通路的PAMiD模组。PAMiD是PAModule integrated with Duplexer的缩写,早期也被称为PAD,是集成了PA、开关与滤波器的模组。

最早的PAMiD可追溯到2000年初,两家先驱型射频前端公司Triquint及Agilent看到集成模组化带来高集成、高性能及低成本优势,开始做集成模组化的尝试,两家公司均实现了开创性的工作。

Triquint是当时领先的CDMA射频前端供应商,在并购了滤波器厂商Sawtek后,Li, P., Souchuns, C.,和Henderson, G.于2001年左右开始模组化产品TQM71312的研发。2003年,Microwave Journal  报道了该产品的工作,指出模组化设计将带来高性能、高集成度、小尺寸及高易用性,取得了40%的平均电流降低 [2]。这是行业内第一个公开发布和报道的集成模组产品,在后续行业综述中,这项工作被引用为集成模组产品的开端。

图:(a)Triquint于2003推出的模组产品TQM71312

(b)Triquint对其模组产品的说明

在报道中,Triquint的集成模组产品系列命名是TritiumTM。功不唐捐,先驱者的付出并没有白费。苹果公司在2008年推出的首款支持3G的iPhone手机iPhone 3G中,首次采用了模组方案。而iPhone 3G中用于支持3G信号的射频前端就是Triquint TritiumTM III系列模组芯片[4]。Triquint2014年与RFMD公司合并成立Qorvo公司,Triquint在集成模组的优势,在Qorvo时代依然延续。

图:iPhone 3G所采用的Triquint PAMiD模组

值得一提的是,当年Triquint参与业界首款开创性集成模组的3名设计人员中,有2位今天依然活跃在业界一线,引领和推动着行业发展,对工程师来讲射频行业实在是一个事业常青的领域。

关注到PAMiD的另外一家公司是Agilent。Agilent是有悠久历史和传承的射频前端厂商,源于HP。Agilent于2001年开始实现FBAR滤波器的量产,到了2002年,实现了千万级出货 [5],将自己的射频PA产品与滤波器产品做整合变成了顺理成章的选择。AFEM-7731 是Agilent于2005年推出的CDMA PAD产品。与Triquint公司的TQM71312类似,AFEM-7731内部集成一路CDMA PA及一个双工器。得益于FBAR的低插损,Agilent表示AFEM-7731可以取得优秀的线性和效率性能 [6]。

图:Agilent于2005年推出的

CDMA集成模组产品AFEM-7731

或许是看到射频前端巨大的发展前景,2005年12月12日,Agilent的射频前端部分从Agilent独立出来,成立新公司Avago,成为当时最大的非上市独立半导体公司,并于2009年上市。2016年,Avago与Broadcom合并,新公司更名为Broadcom。

尽管Avago具有FBAR技术带来的滤波器性能优势,但在2000年初,它的射频功率放大器处于弱势,集成模组产品的进展并不尽如人意。直到2010年左右,基于新工艺和新功率合成架构的射频功率放大器获得性能优势,进而带动了集成模组产品的成功。2012年起,Avago在PAMiD的产品及之后的Broadcom公司的射频前端模组产品,被大量应用于iPhone系列手机中。

2010-2019:

 国际厂商推动,模组方案主流化的10年 

苹果的引领

2010年,苹果推出iPhone4手机,单款机型销量超过5,000万部,是当时最成功的iPhone手机。从2010年开始,苹果公司开始对智能手机的全面引领。在iPhone4手机中,依然采用Triquint TritiumTM系列PAMiD方案实现3G射频前端。

在2012年发布的首款支持4G的iPhone手机iPhone5中,iPhone采用了Triquint、Avago及Skyworks的模组化产品 [7]。苹果继续坚定的采用模组化方案。

图:iPhone5 (A1429型号)射频前端方案,

采用模组化方案进行设计

在这一时期射频前端供应商在模组化也进行了坚决的投入。为了实现模组化中模块的优势整合,一系列射频前端公司也进行了合并:

2014年,RFMD宣布与Triquint合并,成为Qorvo公司。

2014年,Skyworks与松下成立合资公司,2016年Skyworks将合资公司全资收入旗下。

2017年,高通宣布与TDK成立合资公司RF360,2019年高通将合资公司合资收入放下。

图:射频前端公司的整合

除了在苹果手机中使用的定制化射频前端模组方案,各个射频前端供应商开始将模组化产品推向公开市场。Skyworks在2014年推出SkyOne®方案,Qorvo也在2014年推出RF FusionTM方案。Skyworks在对SkyOne方案的介绍中指出:“SkyOne® 是首款将多频功率放大器及多掷开关同所有相关滤波、双工通信及控制功能整合在一个单一、超集成封装当中的半导体设备,所用空间还不到行业最先进技术的一半”[8]。

图:Skyworks与Qorvo向公开市场推出PAMiD方案

FEMiD:模组化的另外一种选择

虽然PAMiD模组化方案有诸多的性能优势,但其供应劣势也相对明显:厂商必须要同时掌握有源(PA及LNA,Switch)及无源(SAW、BAW或FBAR)等能力,才有办法设计出PAMiD模组。而同时掌握这些资源的厂商只有Skyworks、Qorvo、Broadcom及Qualcomm等少数具有完整资源的厂商。

于是,华为、三星等终端公司着手推动FEMiD(Front-end Module integrated with Duplexer)方案。FEMiD是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依然采用分立方案,由PA公司提供。这种方案有效的发挥了无源公司与有源公司的特长。华为、三星等终端也因此摆脱了对PAMiD厂商的绝对依赖。

图:PAMiD与FEMiD方案对比

(a)PAMiD方案 (b)FEMiD方案

2016年,PAMiD与FEMiD的主要供应商如下。Broadcom、Skyworks及Qorvo是主要的PAMiD供应商,村田和RF360是主要的FEMiD供应商[7]。

图:PAMiD与FEMiD主要供应商

03.5G射频前端模组的今生

 Phase6/7系列 

  PAMiD方案的归一  

不过,与iPhone中模组化方案的绝对主流相比,早期公开市场的模组化方案推广并不顺利。原因是Skyworks与Qorvo各自定义,所推广的方案并不兼容,在技术上和供应上都给平台适配和客户使用造成困扰。

为了解决方案统一的问题,MTK平台、国内头部手机厂商及Skyworks/Qorvo射频前端厂商联合发起Phase6系列射频前端集成方案定义。在Phase6方案中,Low Band (包括2G) 与Mid/HighBand两颗PAMiD构成完整发射方案。

图:Phase6与Phase6L方案的定义

由于方案归一, 并且终端厂商、平台厂商及芯片厂商联合参与定义,Phase6系列方案自2016年推出后,得到华为、小米、OPPO及vivo等手机厂商认可。在对于性能及集成度有高要求的高端手机中得到使用,模组化方案得到了普及。5G到来之后,Phase6系列方案演进至Phase7/7L,依然维持PAMiD模组化定义。

  2020至之后:

 国产开始形成突破  

随着2019年底运营商5G陆续商用,2020年5G元年正式开启。5G到来之后,手机终端需要支持更多的频段。并且5G定义了3GHz以上,6GHz以下的超高频(UHB,Ultra-High band)频段,对射频前端性能提出了更高要求。

经过两年的方案迭代,5G方案已基本收敛。主要分为Phase7系列方案及Phase5N两种方案。两种方案在Sub-6GHz UHB新频段部分方案相同,均为L-PAMiF集成模组方案;在Sub-3GHz频段分别为PAMiD模组方案和Phase5N分立方案。 

图:5G手机射频前端方案

Sub-6GHz UHB频段L-PAMiF:国产已成熟商用

Sub-6GHz UHB频段为5G新增频段,频率高、功率大,且增加SRS切换等复杂功能,集成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产品中,国产厂商逐渐形成突破。2019年12月,在中国5G正式商用的2个月之后,慧智微n77/78/79双频L-PAMiF S55255-11量产,国产射频前端厂商首次与国际厂商同时同质推出产品。S55255系列产品在2020及2021年陆续被国际头部手机终端所采用。2020年,该产品获得“中国芯”重大创新突破产品奖,2021年慧智微获得GTI年度荣誉奖(2021 GTI Honorary Award)。

2021年,国产其他射频前端厂商陆续推出UHB L-PAMiF产品,在未来演进中,国产UHB L-PAMiF产品会越来越有竞争力。

Sub-3GHz频段:国产亟待突破

相比于Sub-6GHz,虽然Sub-3GHz模组频率更低、功率更低,不需要复杂的SRS开关等,但由于Sub-3GHz频段较多,需要集成的滤波器及双工器更多,并且是SAW、BAW及FBAR等声学滤波器,对滤波器资源的获取、多频段的系统设计能力提出了高的要求。

对于Sub-3GHz PAMiD/L-PAMiD模组产品设计,主要的挑战有:

1. 全模块子电路的设计和量产能力

需要射频前端厂商有模块内每个主要电路的成熟设计及产品化能力,如各频段的PA、LNA及开关等,并且各子模块无性能短板。

2. 强大的系统设计能力

全集成模组本身构成一个复杂的系统,涉及到发射与接收之间隔离、各频段之间的抑制及载波聚合的通路设计等等问题。射频前端不再是一个单独的功能模块,需要厂商有强大的系统分析与设计能力。

3. 小型化滤波器资源

小型化可集成的滤波器资源是模组设计的稀缺资源,目前在Sub-3GHz用到的主要是WLP(Wafer Level Package,晶圆级封装)或CSP(Chip Scale Package,芯片级封装)两种封装结构的滤波器。两种滤波器的比较如下图所示。WLP滤波器尺寸小、与模组内其他模块的设计中有优势,是未来模组内滤波器的发展方向。

图:WLP与CSP两种封装结构下的滤波器比较

以上能力的同时具备是设计Sub-3GHz 模组产品的必要条件,也是国内射频前端厂商面临的挑战。在国内厂商对以上挑战未完全实现突破的情况下,国内厂商在Sub-3GHz只能提供分立方案。目前Sub-3GHz集成与分立方案的比较如下:

图:Sub-3GHz典型的模组方案与分立方案比较

虽然有诸多问题和挑战,射频前端模组仍是国内射频前端厂商必须攻克的产品类别。慧智微在这个产品方向上较早进行了积累,并形成了系列成果。慧智微射频前端的PA/LNA模块采用可重构架构,在模组产品设计中有以下优势:

1. 集成度更高,晶圆更少,有助于兼容较大尺寸的滤波器。

2. 具有软件调谐特性,有助于集成之后的二次适配。

3. 多代产品持续积累,经过验证的封装管控能力。

基于以上优势,慧智微推出多款射频模组产品。如:

-在2019年12月份所推出的Sub-6GHzn77/78/79 5G双频L-PAMiF模组产品,是业界集成度最高的模组产品,产品在头部客户多款手机、物联网终端使用。

-针对物联网市场,慧智微推出L/M/H Band小型化全频段PAMiD模组 S55010-11,产品采用兼容于Phase6/7/7L Low-band PAMiD的6.0x7.6mm2的小尺寸pin脚设计,集成L/M/H 频段,一颗物料可满足Cat.1市场小型化和集成化需求。可大大减少调试时间,提升客户产品上市速度(Time-to-Market)。

-慧智微Phase7L/7LE L-PAMiD产品正在开发之中


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