5G射频前端模组的前世与今生

中科院半导体所 2022-01-06 18:00

以下文章来源于慧智微电子 ，作者彭

慧智微电子 .

高性能射频微波器件供应商。

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文章来源：慧智微电子（SmarterMicro）

作者：彭


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。

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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。


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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。


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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。


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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]。


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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。


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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。


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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]。


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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。


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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]。


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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。


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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。 


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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，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。2021年，国内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。


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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。


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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：

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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。

04.
文章结语


“模组化”是射频前端演进的重要方向，在这个过程中，滤波器厂商与模组厂商都面临巨大的挑战和机遇。

 

本文整理过程中，得到众多同行、同事的帮助，在此一并表示感谢。

 

参考文献

[1]. https://www.ewisetech.com

[2]. Canfield, J., 2003. A cellular band poweramplifier/duplexer module. Microwave Journal, pp.10-15.

[3]. Wang, D., Wang, X.,Li, P., Tang, A., Souchuns, C., Chen, W., McNamara, B., Wang, X., Liu, L.,Apel, T. and Pavio, R., 2004, October. Recent advances in CDMA power amplifier module developments. In Proceedings. 7th International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology, 2004. (Vol. 2, pp.1236-1241). IEEE.

[4]. https://www.ifixit.com/Teardown/iPhone+3G+

Teardown/600

[5]. Ruby, R., 2004, March. FBAR-from technology development to production. In Second International Symposiumon Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems (p.5).

[6]. AFEM-7731Product Information, Operating Instructions.AFEM-7731 Datasheet.

[7]. RF Devices / Modules For Cellular, Navian, 2017.

[8]. Skyworks Product Introduction, http://sige.com/downloads/

literature/CorporateBrochure_Simplified_Chinese.pdf

[9]. Qorvo Product Introduction, http://qorvo.com

[10]. Qualcomm Product Introduction, http://www.qualcomm.com

[11]. Mobile Experts. RF front ends (RFFE) for mobile devices 2021. Mobile Experts, 2021.

[12]. SmarterMicro推出可重构全频段多频多模功率放大器, 简化4G 手机设计. 中国集成电路, 23(11):2, 2014.

[13]. Li,P.,Peng, Y., and Li,Y.. Overview of development in reconfigurable multi-mode multi-band power amplifier design. In 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), pages 1–3. IEEE, 2019


编辑：书羽

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