高端智能手機的無名英雄，射頻前端如何進化？

從最早主要用於通話和簡訊的功能機，到下載速度快於很多家庭網路連接的智能手機，射頻（RF）前端是一 直以來被忽視的一個部分。如今，大多智能手機用戶甚至都不知射頻前端為何物，但它仍然是手機設計自問世以來最重要的一個環節。射頻前端（RFFE） 是行動電話的射頻收發器和天線之間的功能區域，主要由功率放大器 （PAs） 、低雜訊放大器 （LNAs） 、開關、雙工器、濾波器和其他被動設備組成。如果沒有適當的RFFE，設備根本無法連接到移動網路，從而對於如今的用戶來說毫無用處。一個設計合理的RFFE對於當前在手機性能、功能和工業設計方面的創新是至關重要的。

隨著智能手機市場的不斷成熟，高端市場不斷推陳出新。早期的高端智能手機屏幕較小，電池壽命較短，移動網路帶寬不足以傳輸高清視頻或下載大文件。幸運的是如果用戶不僅僅滿足於通話和簡訊而有更多需求，現在他們可以整日沉浸在自己手機上，尤其是自LTE手機誕生以來。在過去的幾年裡，智能手機用戶的需求已經得到了擴展，一定程度上受益於於YouTube、Facebook和Twitter等社交媒體應用的日益普及。這些應用軟體加快了用戶生成內容的生產和消費，推動了更快、更一致的下載和上傳速度。自LTE設備誕生以來，RFFE的複雜性顯著增加；設備的其他功能的改進也在改善整體用戶體驗方面獲得更多的肯定，但是這些改進導致了一個更具挑戰性的RFFE設計環境。

如今類似消費視頻的用戶應用體驗持續增強，以至於成為智能手機用戶最常見的應用行為之一。因此，隨著智能手機出貨量的增長，屏幕尺寸也隨之快速增大。屏幕在5英寸及以上的智能手機2016年出貨量佔73%， 而一年前只有53%。大屏幕通常會拖累電池壽命，這也帶動了更大的電池容量設計。這些變化和其他功能的改進共同導致了關鍵RFFE組件的物理空間減少。與此同時，考慮到大尺寸屏幕對電池續航的影響，RFFE的設計要比以往更重視電源使用效率。

Gigabit LTE 與 射頻前端： 這很複雜

隨著每一代無線寬區域網路（WWAN）技術的發展，射頻前端的複雜性也在不斷增加。然而，與之前任何一代相比，最新一代的旗艦產品在射頻內容和複雜性方面已經有了一個階梯式躍進。從LTE-A到LTE-A Pro的升級可能是目前RFFE設計複雜程度最大的一次飛躍。

RFFE的設計複雜程度標準隨著同一設備內發射和接受通道的數量增加而提高。這通常與RFFE設計中使用的天線數量和支持的空間數據流的數量相關。正如在上圖Galaxy S6 Edge+和下圖S7 Edge中所看到的，在Cat 6和Cat 9/12設備之間，天線架構保持相對不變，而在Cat 16 設備中將會看到天線數量的顯著增加。

隨著其擴展的載波聚合能力、更高階的調製、更複雜的天線架構、越來越多的空間流以及LTE-U功能，像Galaxy S8和S8+這樣新型高端智能手機的RFFE可以說是在它們發布時最複雜的智能手機射頻設計。

Galaxy S8和S8+是第一款支持Cat16 LTE的量產智能手機，其下行鏈路速率約為千兆比特每秒 （1Gbps） ，與上代旗艦級數據機支持LTE Cat12 600Mbps的速率相比有了顯著的提高。更快的下載速度不僅使終端用戶受益，而且還使移動網路運營商和網路上的其他設備受益。Cat16 LTE帶來更快的數據傳輸速度，移動設備更小的占空比，更延長的電池續航時間，同時也通過更高效的網路交互釋放了網路資源。此外，運營商還可以通過像LTE-U這樣的技術來利用免牌照的頻譜。

儘管RFFE的複雜程度顯著增加，然而設備PCB上留給此功能區的空間一直以來卻逐漸減少。在過去的幾年裡，高端智能手機已經從僅支持有限的射頻頻段轉為單一SKU型號就支持高達34個頻段的智能手機，比如OnePlus 5。為了儘可能在有限的空間容納擴展的頻段，RFFE越來越模塊化，比之前集成了更多的PA、濾波器、雙工器、開關和LNA部件。PCB上元器件密度越來越高，元器件間的干擾逐漸成為一個不可忽視的問題，如何對每個射頻元器件實施充分有效的隔離挑戰進一步加劇。

雖然上文提及RFFE元器件已高度集成，但越來越多的頻段支持和更快移動寬頻速率所需要的複雜性導致使用更多的元器件，提升了RFFE部分的成本，證明了RFFE部分的價值所在。

類似4x4多輸入多輸出（MIMO）天線結構和載波聚合的技術用來實現Cat16 LTE性能的大幅提升，但與此同時也增加了成本。載波聚合是將多個區塊（分量載波） 組合以獲得更高的帶寬和吞吐量。Cat16 LTE最多聚合4個分量載波 （4x CA） ，總帶寬80MHz， 下載速率可達1Gbps。Cat16 LTE 之前的版本只有3個分量載波，總帶寬60MHz。4x4MIMO帶來帶寬提升和更高的下行速率，與此同時也增加了本已複雜的RFFE複雜程度，其中最大的影響之一是對接收鏈路RF元器件，特別是與其他元器件 （如LNA） 一起集成在模組裡的濾波和切換開關部分。

不止 Cat 16 LTE： 邊框更窄，屏幕更大，更好的電池續航

為了在成熟的市場中獲得競爭優勢，OEM廠商面臨著來自產品差異化方面越來越大的壓力。在過去幾年中，類似數據機輔助天線匹配調諧解決方案僅體現於高端智能手機設計領域，目前已在各大OEM廠商設計中司空見慣。天線匹配調諧已成為RF前端的重要零部件之一，減少因環境和設計因素造成的干擾和智能手機RF信號的衰減並提升功率效率。如果沒有天線匹配調諧技術，僅簡單握住智能手機的動作就能惡化射頻信號的質量， 智能手機廠商就得更注重選擇不會顯著影響RF信號質量的設計。類似Galaxy S8 的智能手機無 （窄） 邊框設計需要將天線放置在屏幕下方， 這將對射頻信號造成干擾，將天線置於富有挑戰性的射頻環境。

IHS Markit對Galaxy S8+的拆解分析發現該手機同時使用了來自高通QAT3550和QAT3514的阻抗/孔徑天線調諧技術， 以充分提高置於屏幕下方的天線性能。通過部署類似數據機智能天線調諧技術，OEM廠商可以減小天線尺寸，提高整體電源效率和信號穩定性。

電源效率是智能手機設計師自產品誕生以來一直關注的問題，除了屏幕，RF前端是電池電量消耗最大部分之一。實現儘可能高效的功率放大器逐漸變得越來越重要併產生了廣泛的技術應用如封包跟蹤。封包跟蹤晶元動態調整功放晶元的功率以達到最大的功放效率。高通和Qorvo等公司在其前端套片中提供封包跟蹤檢測晶元，其他公司如三星也引進了此技術。

在過去，對於ET的限制是它只能在20MHz的帶寬上工作，但是在最新的一代產品QET4100上，高通已經能夠支持高達40MHz的帶寬，這對於在上行線路中有2xCA的手機來說至關重要。通過將上行線路的帶寬增加一倍，用戶可以上傳自己的視頻，比如360度虛擬現實視頻，在高需求的場館如體育館中，速度更快。隨著用戶生成的內容變得越來越普遍，上行載波聚合將帶來更好的用戶體驗。

平均功率跟蹤是另一種用於提高PA效率的技術，但其在許多已有/新增LTE頻段所在的較高頻率下通常效率較低，在過去5年裡，LTE已從多數設備運行的1.9GHz或更低的頻段轉移到基本上所有高端智能手機都支持的2.1GHz或更高的頻段，這對擁有較高頻段的移動網路運營商是個利好，例如Sprint在美國有160MHz的2.5GHz（頻段41）頻譜。然而更高的頻率通常無法傳播較遠且不易穿透建築物，這就是為什麼高性能用戶設備（HPUE）正在被部署的原因。HPUE設備能夠在更高的功率水平上傳輸，從而增加設備的可用範圍，這種情況下，封包跟蹤技術變得至關重要。

實現4G到5G的升級

沒有射頻前端中幾項技術的進步，就沒有移動手機上的4G+和5G新無線電（NR）技術的發展。載波聚合的發展，包括支持5xCA的Cat 18 LTE，使全球的運營商更容易利用授權和無授權的頻譜，利用許可的輔助接入（LAA）和LTE與無線網路之間的天線共享。此外，下行線路的256 QAM和上行線路的64 QAM等更先進的調製，使得移動設備能夠更有效地與網路交互。

4G+的頻率範圍將擴展至600MHz的低頻段和 3.5 GHz的高頻段。一些組件供應商已經能夠通過硬體支持這些新頻段，然後通過未來的軟體更新作為支持。一般來說，4G+將對射頻前端的接收端構成更大的挑戰，因為下游的數據傳輸速率超過1Gbps，不過，在更寬的頻率範圍內的額外頻段也需要來自傳輸端的組件支持，例如功率放大器。

IHS Markit預計，到2019年底，5G設備將投入商用，而支持5G技術的舉措將進一步給RFFE帶來壓力。組件供應商將不得不增加對新制式的支持，以及從400MHz到6GHz的更廣泛的頻帶（與移動寬頻有關），以及一套額外的編碼。如其他核心智能手機ICs如基帶一樣，RFFE需要提供向後兼容，以支持4G/3G/2G的操作模式。如果沒有真正的系統級別的專業知識，當前和即將推出的RFFE將使組件供應商更難以阻止RFFE成為設備移動寬頻性能的瓶頸。供應商必須提供完整的組件組合，從而為OEM廠商提供不同程度的性能和靈活性，是以滿足終端用戶的需求。