從最早主要用于通話(huà)和短信的功能機，到下載速度快于很多家庭網(wǎng)絡(luò )連接的智能手機，射頻（RF）前端是一直以來(lái)被忽視的一個(gè)部分。如今，大多智能手機用戶(hù)甚至都不知射頻前端為何物，但它仍然是手機設計自問(wèn)世以來(lái)最重要的一個(gè)環(huán)節。射頻前端(RFFE) 是移動(dòng)電話(huà)的射頻收發(fā)器和天線(xiàn)之間的功能區域，主要由功率放大器 (PAs) 、低噪聲放大器 (LNAs) 、開(kāi)關(guān)、雙工器、濾波器和其他被動(dòng)設備組成。如果沒(méi)有適當的RFFE，設備根本無(wú)法連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，從而對于如今的用戶(hù)來(lái)說(shuō)毫無(wú)用處。一個(gè)設計合理的RFFE對于當前在手機性能、功能和工業(yè)設計方面的創(chuàng )新是至關(guān)重要的。科學(xué)實(shí)驗模塊
隨著(zhù)智能手機市場(chǎng)的不斷成熟，高端市場(chǎng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò )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(hù)不僅僅滿(mǎn)足于通話(huà)和短信而有更多需求，現在他們可以整日沉浸在自己手機上，尤其是自L(fǎng)TE手機誕生以來(lái)。在過(guò)去的幾年里，智能手機用戶(hù)的需求已經(jīng)得到了擴展，一定程度上受益于于YouTube、Facebook和Twitter等社交媒體應用的日益普及。這些應用軟件加快了用戶(hù)生成內容的生產(chǎn)和消費，推動(dòng)了更快、更一致的下載和上傳速度。自L(fǎng)TE設備誕生以來(lái)，RFFE的復雜性顯著(zhù)增加；設備的其他功能的改進(jìn)也在改善整體用戶(hù)體驗方面獲得更多的肯定，但是這些改進(jìn)導致了一個(gè)更具挑戰性的RFFE設計環(huán)境。
如今類(lèi)似消費視頻的用戶(hù)應用體驗持續增強，以至于成為智能手機用戶(hù)最常見(jiàn)的應用行為之一。因此，隨著(zhù)智能手機出貨量的增長(cháng)，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年出貨量占73%， 而一年前只有53%。大屏幕通常會(huì )拖累電池壽命，這也帶動(dòng)了更大的電池容量設計。這些變化和其他功能的改進(jìn)共同導致了關(guān)鍵RFFE組件的物理空間減少。與此同時(shí)，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：這很復雜
隨著(zhù)每一代無(wú)線(xiàn)寬區域網(wǎng)絡(luò )(WWAN)技術(shù)的發(fā)展，射頻前端的復雜性也在不斷增加。然而，與之前任何一代相比，最新一代的旗艦產(chǎn)品在射頻內容和復雜性方面已經(jīng)有了一個(gè)階梯式躍進(jìn)。從LTE-A到LTE-A Pro的升級可能是目前RFFE設計復雜程度最大的一次飛躍。
RFFE的設計復雜程度標準隨著(zhù)同一設備內發(fā)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(xiàn)數量和支持的空間數據流的數量相關(guān)。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(xiàn)架構保持相對不變，而在Cat 16 設備中將會(huì )看到天線(xiàn)數量的顯著(zhù)增加。
隨著(zhù)其擴展的載波聚合能力、更高階的調制、更復雜的天線(xiàn)架構、越來(lái)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(shuō)是在它們發(fā)布時(shí)最復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(chǎn)智能手機，其下行鏈路速率約為千兆比特每秒 (1Gbps) ，與上代旗艦級調制解調器支持LTE Cat12 600Mbps的速率相比有了顯著(zhù)的提高。更快的下載速度不僅使終端用戶(hù)受益，而且還使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò )上的其他設備受益。Cat16 LTE帶來(lái)更快的數據傳輸速度，移動(dòng)設備更小的占空比，更延長(cháng)的電池續航時(shí)間，同時(shí)也通過(guò)更高效的網(wǎng)絡(luò )交互釋放了網(wǎng)絡(luò )資源。此外，運營(yíng)商還可以通過(guò)像LTE-U這樣的技術(shù)來(lái)利用免牌照的頻譜。
盡管RFFE的復雜程度顯著(zhù)增加，然而設備PCB上留給此功能區的空間一直以來(lái)卻逐漸減少。在過(guò)去的幾年里，高端智能手機已經(jīng)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(gè)頻段的智能手機，比如OnePlus 5。為了盡可能在有限的空間容納擴展的頻段，RFFE越來(lái)越模塊化，比之前集成了更多的PA、濾波器、雙工器、開(kāi)關(guān)和LNA部件。PCB上元器件密度越來(lái)越高，元器件間的干擾逐漸成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，如何對每個(gè)射頻元器件實(shí)施充分有效的隔離挑戰進(jìn)一步加劇。
雖然上文提及RFFE元器件已高度集成，但越來(lái)越多的頻段支持和更快移動(dòng)寬帶速率所需要的復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(jià)值所在。
類(lèi)似4x4多輸入多輸出(MIMO)天線(xiàn)結構和載波聚合的技術(shù)用來(lái)實(shí)現Cat16 LTE性能的大幅提升，但與此同時(shí)也增加了成本。載波聚合是將多個(gè)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(gè)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(gè)分量載波，總帶寬60MHz。4x4MIMO帶來(lái)帶寬提升和更高的下行速率，與此同時(shí)也增加了本已復雜的RFFE復雜程度，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) 一起集成在模組里的濾波和切換開(kāi)關(guān)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(chǎng)中獲得競爭優(yōu)勢，OEM廠(chǎng)商面臨著(zhù)來(lái)自產(chǎn)品差異化方面越來(lái)越大的壓力。在過(guò)去幾年中，類(lèi)似調制解調器輔助天線(xiàn)匹配調諧解決方案僅體現于高端智能手機設計領(lǐng)域，目前已在各大OEM廠(chǎng)商設計中司空見(jiàn)慣。天線(xiàn)匹配調諧已成為RF前端的重要零部件之一，減少因環(huán)境和設計因素造成的干擾和智能手機RF信號的衰減并提升功率效率。如果沒(méi)有天線(xiàn)匹配調諧技術(shù)，僅簡(jiǎn)單握住智能手機的動(dòng)作就能惡化射頻信號的質(zhì)量， 智能手機廠(chǎng)商就得更注重選擇不會(huì )顯著(zhù)影響RF信號質(zhì)量的設計。類(lèi)似Galaxy S8 的智能手機無(wú) (窄) 邊框設計需要將天線(xiàn)放置在屏幕下方， 這將對射頻信號造成干擾，將天線(xiàn)置于富有挑戰性的射頻環(huán)境。
IHS Markit對Galaxy S8+的拆解分析發(fā)現該手機同時(shí)使用了來(lái)自高通QAT3550和QAT3514的阻抗/孔徑天線(xiàn)調諧技術(shù)， 以充分提高置于屏幕下方的天線(xiàn)性能。通過(guò)部署類(lèi)似調制解調器智能天線(xiàn)調諧技術(shù)，OEM廠(chǎng)商可以減小天線(xiàn)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(chǎn)品誕生以來(lái)一直關(guān)注的問(wèn)題，除了屏幕，RF前端是電池電量消耗最大部分之一。實(shí)現盡可能高效的功率放大器逐漸變得越來(lái)越重要并產(chǎn)生了廣泛的技術(shù)應用如封包跟蹤。封包跟蹤芯片動(dòng)態(tài)調整功放芯片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芯片，其他公司如三星也引進(jìn)了此技術(shù)。
在過(guò)去，對于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(chǎn)品Q(chēng)ET4100上，高通已經(jīng)能夠支持高達40MHz的帶寬，這對于在上行線(xiàn)路中有2xCA的手機來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。通過(guò)將上行線(xiàn)路的帶寬增加一倍，用戶(hù)可以上傳自己的視頻，比如360度虛擬現實(shí)視頻，在高需求的場(chǎng)館如體育館中，速度更快。隨著(zhù)用戶(hù)生成的內容變得越來(lái)越普遍，上行載波聚合將帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗。
平均功率跟蹤是另一種用于提高PA效率的技術(shù)，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(guò)去5年里，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(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商是個(gè)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(wú)法傳播較遠且不易穿透建筑物，這就是為什么高性能用戶(hù)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范圍，這種情況下，封包跟蹤技術(shù)變得至關(guān)重要。
實(shí)現4G到5G的升級
沒(méi)有射頻前端中幾項技術(shù)的進(jìn)步，就沒(méi)有移動(dòng)手機上的4G+和5G新無(wú)線(xiàn)電(NR)技術(shù)的發(fā)展。載波聚合的發(fā)展，包括支持5xCA的Cat 18 LTE，使全球的運營(yíng)商更容易利用授權和無(wú)授權的頻譜，利用許可的輔助接入(LAA)和LTE與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的天線(xiàn)共享。此外，下行線(xiàn)路的256 QAM和上行線(xiàn)路的64 QAM等更先進(jìn)的調制，使得移動(dòng)設備能夠更有效地與網(wǎng)絡(luò )交互。
4G+的頻率范圍將擴展至600MHz的低頻段和 3.5 GHz的高頻段。一些組件供應商已經(jīng)能夠通過(guò)硬件支持這些新頻段，然后通過(guò)未來(lái)的軟件更新作為支持。一般來(lái)說(shuō)，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(guò)1Gbps，不過(guò)，在更寬的頻率范圍內的額外頻段也需要來(lái)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(shù)的舉措將進(jìn)一步給RFFE帶來(lái)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(dòng)寬帶有關(guān))，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需要提供向后兼容，以支持4G/3G/2G的操作模式。如果沒(méi)有真正的系統級別的專(zhuān)業(yè)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(dòng)寬帶性能的瓶頸。供應商必須提供完整的組件組合，從而為OEM廠(chǎng)商提供不同程度的性能和靈活性，是以滿(mǎn)足終端用戶(hù)的需求。
