手机射频前端发展状况及技术分析

詹文浩++戴国华

【摘 要】为了介绍手机射频前端的发展状况、分析新技术对射频前端的影响，通过比较射频前端和手机市场的发展趋势，总结射频前端市场快速发展的原因，同时讨论了射频前端技术的发展趋势，最后分析了全网通终端的普及，以及载波聚合、多输入多输出和高频通信对射频前端的影响。

【关键词】射频前端 载波聚合 功率放大器 滤波器

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.07.001 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）07-0005-05

引用格式：詹文浩，戴国华. 手机射频前端发展状况及技术分析[J]. 移动通信， 2017，41（7）： 5-9.

1 引言

射频器件是无线连接的核心，随着4G智能手机终端的发展，手机终端需要支持多种无线通信系统，这使得射频器件显得尤为重要，也促进了射频前端市场的发展。单一手机中射频前端的价值从早期GSM手机的不足1美金到现在已经超过了10美金，未来随着新技术的不断引进和5G时代的到来，射频前端的价值甚至有可能超过主芯片。本文将介绍现今手机终端中日益重要的射频前端，介绍射频前端的市场发展状况及技术发展趋势，分析新技术对射频前端的影响。

2 手机射频前端发展状况

2.1 射频前端介绍

如图1所示，手机射频模块主要包括天线、射频前端和射频芯片，主要负责高频无线电波的接收、发射和处理。其中天线主要负责射频信号和电磁信号之间的相互转换，射频芯片主要负责射频信号和基带信号之间的相互转换，射频前端负责将接收和发射的射频信号进行放大和滤波。目前手机射频芯片多与基带芯片集成在主芯片内，天线则设计为单独的模块，射频前端因制作材料的不同难以与芯片集成，且射频前端器件种类较多，因此会分成多个不同功能的射频前端模块。

射频前端主要包括了天线开关、滤波器、双工器、PA（Power Amplifier，功率放大器）、LNA（Low Noise Amplifier，低噪声放大器）等器件。其中天线开关负责不同射频通道之间的转换；滤波器负责射频信号的滤波；双工器负责FDD系统的双工切换和接收发射通道的射频信号滤波；PA负责发射通道的射频信号放大；LNA负责接收通道的射频信号放大。

2.2 射频前端市场发展状况

随着通信技术的发展，越来越多制式、频段、新特性的加入，手机射频前端变得越来越重要。全球手机射频前端市场规模如图2所示，目前射频前端的市场规模已经突破120亿美元，预计到2020年，手机射频前端的总体市场将超过200亿美元。

如图3所示，从2013年开始，手机射频前端的市场规模增速将超过手机出货量的增速。虽然近年来全球手机的出货量增速不断下降，2015年增速为9%，2016年增速下降到1%左右，但手机射频前端的市场规模依然保持了15%以上的增速。单个手机终端的射频前端器件的价值越来越高，三星、苹果等旗舰机型内的射频前端价值甚至超过12.75美金。

目前全球手机市场已经趋于饱和，预计未来将继续维持低增速甚至负增速的状态，但随着4G的成熟、4.5G技术的引入以及全网通终端的普及，手机内射频前端的数量将会不断增加，单个手机终端的射频前端器件的价值会继续提升，可支撑射频前端的市场在未来几年继续保持10%以上的增速。

在手机射频前端领域技术较为先进和产品较全面的公司有以下几家：

（1）Skyworks，思佳讯（美国）：主营射频解决方案、PA、FEM（前端模块）等，拥有较为齐全的射频前端产品线，是苹果最大的射频前端供应商。

（2）Qorvo（美国）：由RFMD和Triquint合并的新公司，主营PA、天线开关、滤波器等，产品最为丰富，能够覆盖射频前端的主要器件市场。

（3）Avago，安华高（美国）：其射频前端专供3G和4G领域，BAW滤波器领域的市场占有率最高。

（4）Murata，村田（日本）：主营陶瓷电容、滤波器、天线开关等器件。

图4为2016年射频前端的市场份额，Skyworks、Qorvo、Avogo和Murata四家公司占据了85%的市场份额，其他厂商包括高通、TDK，国内的锐迪科、中科汉天下、中普微等瓜分余下的15%市场。相比于手机芯片市场国产芯片的崛起，射频前端器件的领域目前还主要由国外厂家主导，国内的射频厂商的差距主要在于技术、专利和制造工艺，主要的产品为PA和较低端的滤波器。

預计在今后几年，射频前端的市场不会发生太大的改变，但随着5G时代的到来，现有的工艺将很难满足毫米波的射频需求。一些在高频射频元器件有技术积累的厂商可能会加入到手机射频的市场，对现有的射频市场格局带来一定的冲击。

图4 2016年射频前端市场份额

2.3 射频前端技术发展趋势

手机射频前端未来的主要发展趋势在于提高集成度。未来的手机终端的射频前端数目将飞速增长，而预计手机的体积并不会有太大的提升，所以要在相同的体积内装配更多的射频前端，就需要提高射频前端的集成度。由于射频前端器件的材料多为GaAs，无法于主芯片集成，所以射频前端只能做出单独的模块。目前手机厂商大多选择搭配多个射频前端小模块，但随着手机内部空间日益吃紧，射频前端器件的集成趋势也非常明显，未来射频前端可能会以单独一个模块的形式集成在手机内。

射频前端另一大发展趋势在于高频段射频前端的开发，目前制造低频段射频前端的材料很难满足毫米波段的射频前端性能需求。因此，基于GaN或其他一些高频特性较好的材料的射频前端制造工艺将成为未来射频技术发展的一大重点。

3 新技术对射频前端的影响分析

从2G功能机时代单一的通信系统，到如今智能机时代2G、3G、4G、Wi-Fi等众多的无线通信系统，对手机射频前端器件的要求越来越高，其数量也越来越多。未来新技术的不断涌现也对射频前端提出了更多更高的要求，对射频前端影响最大的热点新技术包括新增制式和频段、CA（Carrier Aggregation，载波聚合）、MIMO和高频通信。

3.1 新增频段和制式

随着全网通终端的普及，未来手机终端将支持更多的频段和制式，意味着手机需要更多的射频前端器件。新增支持一个2G或3G频段需增加一个相应频段的滤波器和天线开关端口，由于LTE接收分集的存在，新增支持一个LTE频段则至少需要增加两个相应频段的滤波器和天线开关端口。全球LTE频段众多，一颗PA无法支持全球所有的LTE频段，所以在新增支持一些特殊的频段时还可能需要增加额外的PA。

如需新增手机支持的制式，射频前端不仅需要新增新制式所在频段的滤波器，还需要新增PA以支持新制式的发射信号放大，目前一个全网通的手机至少包括了3颗PA、3个天线开关和各种不同频段的滤波器，射频前端整体的价值至少在8美金以上。从2G手机支持4个频段、3G手机支持9个频段，到3GPP R11版本中蜂窝通信系统支持的频段数达到41个，单款手机中射频前端的数量飞速增长。未来5G所支持的频段数量预计会在50个以上，射频前端数量的又将经历一次飞跃。

3.2 载波聚合

CA是当前热门的通信技术，可以有效提高频谱碎片的利用率，提升单用户峰值速率。目前下行2CA的终端已经较为普及，2017年终端要求支持下行3CA。为弥补上行带宽的不足，中国移动已预计在今年商用上行2CA。从终端的角度来看，在芯片性能满足大带宽的情况下，终端支持CA对射频前端的影响较大，不同的CA类型和组合将给射频前端带来不同的挑战。一般来说，CA类型可分为上行、下行；带内、带间，其中带内的CA只需射频前端可支持足够的带宽，无需新增器件，而带间的CA则对射频前端的影响较大，以下讨论的方案皆为带间CA的情况。

（1）下行2CA

2CA的类型根据频段可分为LB+M/HB、LB+LB、MB+HB、MB+MB，其中较为常见的为LB+M/HB、MB+MB的场景。如图5（a）所示，当无CA时，频段A和频段B通过天线开关进行切换。图5（b）为LB+M/HB的CA情况下射频前端的解决方案，因为低频和中高频的频率相差较大，所以可通过一个双信器将接收信号分流成低频和中高频两部分，以达到CA的目的。但当两个频段的频率较为接近时，就无法通过双信器进行分流。如图5（c）所示，MB+MB的CA则需要在天线开关前新增四工器，四工器相当于两个滤波器和双信器的组合，相比于双信器，四工器具有更好的信道隔离和信号分流功能。四工器的设计较为复杂，因此价格较高，目前较为常见的有B1+B3、B2+B4四工器。

（2）下行3CA

目前国内三大运营商均已商用或计划商用下行3CA，其中中国移动的是B41的带内3CA方案；中国联通是B1+B3+B3的带内带间结合的3CA方案；中国电信的3CA方案为B1+B3+B5带间3CA，中国电信的带间3CA对射频前端的影响会较为明显。

图6为中国电信3CA的两种射频前端解决方案，图6（a）为单天线时的射频前端解决方案，接收信号先通过双信器分为低频和中高频两路，中高频信号再通过四工器进一步分流为B1和B3两路信号，以此达到3CA的目的，此方案实现较为简单，但新增的双信器会使接收信号造成损耗，需通过提高低噪声放大器的功能来弥补。图6（b）为双天线时的射频前端解决方案，此方案下需新增天线、开关模块和滤波器，成本较高。

（3）上行2CA

上行CA对于射频前端的影响主要在于PA，由于手机一般会有高、中、低频三个PA模块，因此当CA的两个频段不在同一频域内时，PA数目可不发生改变，射频前端不需要有额外改动，但当两个频段同为低频或中频时，则需新增相应频段的PA。两个PA同时工作时终端功耗会显著增加，因此如何控制功耗、增加效能是上行CA需要面临的关键问题。

3.3 MIMO

MIMO技术在发射端和接收端采用多根发射天线和接收天线，通过空分复用提升速率和容量，是4.5G及未来5G时代的核心技术。目前4×4MIMO要求在手机端采用4根天线进行接收，而每根天线均需要一整套的射频前端模块，射频前端器件的数量将成倍增加。未来5G时代的手机可能集成8根、16根甚至更多的天线，射频前端器件的数目会更加庞大。

3.4 高频通信

高频通信是5G时代的核心技术，目前射频前端器件在技术上还无法做到在手机上实现高频通信。高频通信的出现将对手机射频前端器件的性能和制作工艺提出更高的要求。目前PA和LNA主流的制作材料在高频时会受到很大的影响，未来可能需要诸如GaN等高频特性更好的材料制造射频前端器件，在制造技术和成本上都还需要有所突破。高频通信下单一信道的带宽将远远大于LTE的信道带宽，因此对天线、滤波器和PA的性能要求会更高。

4 结束语

在手机存量接近饱和、芯片市场趋于白热化的今天，射频前端的市场仍保有一个较快的增速和良好的发展势头，射频前端已成为手机终端最为关键的部分之一。通过本文分析可知，全网通终端的普及以及载波聚合、MIMO等技术的发展将进一步推动射频前端的发展。而随着5G时代的臨近，射频前端也将面临更大的发展机遇与技术挑战。

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