手機(jī)射頻PA戰(zhàn)火再起，各大廠商紛紛增加濾波器產(chǎn)能

作為全球領(lǐng)先的射頻方案提供商，Qorvo近日推出了高集成方案的BAW Filter，支持Power class 2 標(biāo)準(zhǔn)，可以提高30%的發(fā)射范圍，以及提升手機(jī)射頻3dBM的功率。隨著4G通信制式的普及以及向5G技術(shù)的演進(jìn)，PA在手機(jī)中的地位越來越重要。特別是隨著云服務(wù)、VR/AR等應(yīng)用的興起，智能移動終端開始需要更大的數(shù)據(jù)傳輸速度與更大的帶寬，為了增加帶寬，發(fā)展了載波聚合技術(shù)，還有MIMO（多路輸入輸出）藍(lán)牙技術(shù)。這些新的技術(shù)使得射頻的復(fù)雜度提高了，對于射頻芯片要求也提高了。

目前手機(jī)中的RF器件包括功率放大器（PA）、雙工器、開關(guān)、濾波器（包括SAW與BAW兩種）、低噪放大器（LNA）等等。這些器件中，多模多頻手機(jī)、特別是多載波聚合技術(shù)，對于濾波器與開關(guān)器件的需求增量最多。而隨著射頻濾波器變得越來越重要，各大射頻前端廠商也在積極布局濾波器市場。Qorvo中國區(qū)移動產(chǎn)品銷售總監(jiān)江熊認(rèn)為，雖然全球手機(jī)市場一直在增長中，但最近幾年有點(diǎn)飽和了，總量差不多會維持18億左右，其中智能手機(jī)的量將達(dá)到14億只，4G手機(jī)的量大概在5億臺左右。Technavio在研究報(bào)告中指出，射頻濾波器市場2016-2020的年復(fù)合增長率可達(dá)15%，并且已經(jīng)超越PA成為整個射頻前端模塊市場中最重要的組成部分。從上面右圖可以看到中國射頻的市場容量，每年呈現(xiàn)大幅度的增長。

高通前些年收購了Blacksand進(jìn)入PA市場，去年和日本電子元器件廠商TDK聯(lián)合組建合資公司RF360 Holdings，主要開發(fā)濾波器。臺灣聯(lián)發(fā)科技則在日前宣布收購射頻PA供應(yīng)商絡(luò)達(dá)，主要針對IOT市場。而在此前，聯(lián)發(fā)科也曾立過一家針對手機(jī)領(lǐng)域的射頻PA公司：源通。有業(yè)內(nèi)人士分析，聯(lián)發(fā)科收購絡(luò)達(dá)后，將會選擇PA與主芯片捆綁銷售的策略。展訊則通過收購RDA，在射頻PA領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。以上這三大主芯片廠商最大的優(yōu)勢可能就是可以跟主芯片進(jìn)行捆綁銷售。特別是在一些中小手機(jī)公司里，主芯片公司具有很大的話語權(quán)。還有一些小的手機(jī)公司則傾向于采用Vanchip、漢天下、銳迪科、中普微、國民飛驤、慧智微，絡(luò)達(dá)等公司的PA。不過這些國產(chǎn)PA缺少濾波器資源，與國際大廠競爭的時候困難重重。另一方面，隨著主芯片公司打包銷售PA，勢必讓這些公司后續(xù)銷售難上加難。

不過，對于一些一線手機(jī)品牌來說，在高端產(chǎn)品線還是更傾向于采用獨(dú)立的PA供應(yīng)商，如Qorvo、Skywork、Broadcom等的產(chǎn)品。據(jù)了解，功率放大器市場基本被Skyworks、Qorvo、Broadcom三家企業(yè)占據(jù)，三家企業(yè)市場份額達(dá)93%；在濾波器領(lǐng)域，日企Murata、TDK和Taiyo Yuden占據(jù)SAW雙工器85%以上。BAW雙工器市場基本被Broadcom（Avago）壟斷，博通占據(jù)87%的市場份額。

Skyworks是最依賴中國市場的美國半導(dǎo)體公司，其2015年中國市場收入占總收入的84%。目前包括華為、OPPO、Vivo等前五大中國手機(jī)廠商都已成為Skyworks的客戶。Skyworks2014年通過與Panasonic成立合資公司而獲得濾波器技術(shù)，不過濾波器主要供自己使用。總的來說，這些國際PA公司紛紛增設(shè)工廠，增加濾波器產(chǎn)品線，這也將成為未來獨(dú)立射頻PA公司的一大發(fā)展方向。目前全球的RF前端主要被海外巨頭壟斷，這些獨(dú)立的PA供應(yīng)商不僅有研發(fā)，還有自己的生產(chǎn)工廠，封裝測試工廠。主要的芯片都是自家生產(chǎn)，成本相對容易控制。其中Qorvo是由RFMD與TriQuint合并而成，客戶中包括了APPLE、三星這樣的Tier2客戶。據(jù)介紹，目前Qorvo在美國有數(shù)個晶圓廠，其中有兩個GaAs晶圓廠，三個濾波器晶圓廠。在哥斯達(dá)黎加還有一個濾波器廠。在中國有兩個后端的封裝測試廠，一個在北京，一個在德州。這些工廠保證了Qorvo可以在全球范圍內(nèi)為客戶提供充沛的產(chǎn)能供應(yīng)。

此次投入生產(chǎn)的Qorvo德州新工廠帶來了非常先進(jìn)的RF器件封測工藝，包括（晶圓）研磨減薄和切割工藝、倒裝芯片貼裝工藝、芯片貼裝工藝、引線鍵合工藝、塑封成型工藝、切割工藝、電鍍工藝以及激光打印等諸多工藝都實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。“原有的北京工廠現(xiàn)在產(chǎn)能非常緊張，如前所述，由于多頻多模LTE手機(jī)的需求，來自客戶的RF器件訂單旺盛，現(xiàn)在德州新工廠投入生產(chǎn)，正好形成互補(bǔ)，可以滿足客戶的需求。”江熊表示，新工廠的面積比北京工廠還增加了50%以上。

Power Class 2將會對2017年的手機(jī)行業(yè)產(chǎn)生什么影響？

自2015年初RFMD與TriQuint合并后，Qorvo的4G射頻器件的出貨量屢創(chuàng)新高。江熊表示，Qorvo的產(chǎn)品線包括兩大類：一類是智能手機(jī)產(chǎn)品線，Qorvo提供完整的手機(jī)射頻解決方案。另一類是基礎(chǔ)設(shè)施和軍工產(chǎn)品，包括面向未來的IOT領(lǐng)域，Qorvo也投入了非常多的資源來進(jìn)行研發(fā)?，F(xiàn)在多頻多模LTE手機(jī)，特別是運(yùn)營商最新要求的載波聚合等技術(shù)，都需要大量用到BAW（體聲波）濾波器，一個手機(jī)中就要用到多顆BAW，這是Qorvo非常領(lǐng)先的領(lǐng)域。這家擁有數(shù)座GaAs以及GaN 晶圓廠的老牌射頻芯片廠商，對PA技術(shù)的研究相當(dāng)深厚。“PA技術(shù)一直在演進(jìn)中，在某些方面已經(jīng)做到了極致，”江雄在“第六屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2017產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會”上表示：“PA的功率要提得更高，那么線性度、效率這些指標(biāo)都要比較好，這一系列的指標(biāo)背后需要靠好的生產(chǎn)工藝來支撐。”

為了滿足越來越復(fù)雜的射頻需求，江熊介紹了目前射頻領(lǐng)域的一些技術(shù)方向：

首先是載波聚合，載波聚合就是把不同的或者同一頻段的不同通道聚合在一起，來實(shí)現(xiàn)增加帶寬提高傳輸速度的技術(shù)。有上行CA和下行CA技術(shù)，下行CA技術(shù)會走的更快些，有兩載波，三載波和四載波下行CA技術(shù)，特別是下行４載波可以把下行數(shù)據(jù)傳輸率提高到接近１Ｇbps。據(jù)預(yù)測將來5G數(shù)據(jù)傳輸率可以到達(dá)５Gbps。

第二個是ET技術(shù)。ET通過DCDC使得整個鏈路的功率得以提高，而電流降低。ET也需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的新的功放和開關(guān)。

第三個是多路進(jìn)出藍(lán)牙技術(shù)。Qorvo為此專門設(shè)計(jì)了新的PA和濾波器，還有更緊湊性模塊。除了前面提到的三大技術(shù)方向，江熊還專門介紹了Power Class 2（以下簡稱PC2）技術(shù)，以及該技術(shù)將對手機(jī)業(yè)產(chǎn)生的影響。PC2，也可稱作“UE Power Class 2”。Power Class指功率等級，PC2就是指用戶終端以功率等級2規(guī)定的最大輸出功率工作。2015年第14屆GTI工作會議上，PC2作為一種技術(shù)概念被提出。到2016年，包括Sprint，CMCC和Softbank在內(nèi)的三大運(yùn)營商開始推薦該技術(shù)，預(yù)計(jì)到2017年年中，Sprint會開始部分產(chǎn)品商用。

PC2有什么好處呢？目前，對于絕大多數(shù)的4G LTE頻段（除應(yīng)用于公共安全領(lǐng)域的B14外），3GPP僅規(guī)范了一種功率等級，即Power Class 3（下稱PC3），將UE的最大輸出功率限制在23 dBm±2的水平。隨著無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，PC3的局限性越發(fā)明顯。首先，隨著移動通信頻譜逐漸向高頻遷移，無線信號在傳播過程中的衰減加劇，導(dǎo)致基站覆蓋范圍變小，尤其在4G頻段當(dāng)中處于相對高頻的B41（2.5~2.7GHz）頻段。其次基站與用戶終端的發(fā)射功率并不平衡，4G LTE網(wǎng)絡(luò)下行與上行鏈路的功率差異大約為5dB，因此在某些只有下行覆蓋的區(qū)域，用戶終端只能下載數(shù)據(jù)而不能上傳數(shù)據(jù)，這往往會造成接入或切換失敗。要解決上述兩個棘手問題，通常以提高基站密度為代價(jià)，這就變相增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護(hù)成本。另外，全球范圍內(nèi)部署的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)應(yīng)用場景是以部署于低頻段的LTE FDD網(wǎng)絡(luò)做覆蓋，以部署于高頻段的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)提供小范圍的大容量覆蓋，但由于這兩種網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不一致，導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)還有待提高。這也是為什么在網(wǎng)絡(luò)擁堵的地方，往往只能接受信息，而無法發(fā)送信息。

作為全球領(lǐng)先的射頻方案提供商，Qorvo近日推出了高集成方案的BAW Filter，支持Power class 2 標(biāo)準(zhǔn)，可以提高30%的發(fā)射范圍，以及提升手機(jī)射頻3dBM的功率。PC2使得手機(jī)在B41的性能和B25一樣好。此外，B41是相對高頻的頻段，在傳播過程中衰減比較快，路徑的損失比較大，所以單載波的時候覆蓋范圍還是有限的。運(yùn)營商必須增加非常多的基站才能增加用戶體驗(yàn)。從PC3替換到PC2后，最明顯的好處是在B41 TD-LTE方面，手機(jī)被單一基站覆蓋范圍提高了30%。對運(yùn)營商來說，提高了3dB以后，手機(jī)被單一基站覆蓋范圍提高了30%，這是非常有吸引力的。此外，提高了3dBm后，和B25相比，B41對于電池壽命也有13%的增加。

如何解決PC2商用的技術(shù)挑戰(zhàn)？

不過在PC2商用化以前，存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，PC2在PC3的基礎(chǔ)上，把UE最大輸出功率提高3 dB至26 dBm±2的水平（23dBm可換算成200mW，26dBm可換算成400mW），這幾乎使得UE的最大輸出功率翻倍，UE的射頻電路必須做很多改動。“PC2的這3dB其實(shí)不好做。它不單止是PA的問題，還涉及到整個鏈路、線性度、效率、插損、匹配等一系列問題都需要通盤考慮。”江熊表示，第一是PA的增益需要提高，其他的指標(biāo)如線性度，電流這些指標(biāo)也要符合標(biāo)準(zhǔn)。第二是BAW濾波器，BAW濾波器具有插損小，帶外抑制要更好的特點(diǎn)，對于提高功率的輸出是有很大的幫助。第三是高集成度的模塊。傳統(tǒng)采用的分離方式，功放，開關(guān)和濾波器各自分開。以上三個部分的改動相當(dāng)于做一個“大手術(shù)”，于是射頻廠商開始傾向于提供融合集成的方案，這種方案的普及使得4G手機(jī)射頻行業(yè)開始面臨洗牌。江熊表示，一個明顯的趨勢是中國以及國際的頂級手機(jī)品牌都在考慮采用這種融合的方案。采用融合方案的好處除了設(shè)計(jì)的時間可以縮短，生產(chǎn)過程也會變的簡單，物料的管理也會簡單，最終都體現(xiàn)在成本的控制。江熊表示，Qorvo的融合方案也已經(jīng)經(jīng)歷了幾代產(chǎn)品了，有只有支持單載波的，B41窄帶和B40，發(fā)展到支持雙載波的B41寬帶，帶寬20MMhz +20Mhz。下一代的產(chǎn)品會支持Power Class 2。相對于分離方案，融合方案還有其它好處。比如如圖中所示，由于每家廠商的器件都不一樣，標(biāo)星號的地方都需要做匹配。如果采用融合集成方案，就可以省去多余的匹配環(huán)節(jié)。江熊表示，下一代的融合產(chǎn)品與上一代產(chǎn)品還有一個區(qū)別是添加了LNA。因?yàn)樘炀€的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度越來越高，天線的接收靈敏度就降低了，要解決這樣的問題就要在天線口加上LNA，LNA的作用就是把弱信號放大，同時產(chǎn)生盡可能低的噪音和失真。“Qorvo不僅有高性能的PA與射頻開關(guān)，還有高級BAW濾波器，這是其它沒有BAW濾波器技術(shù)的射頻廠家非常羨慕的優(yōu)勢。把這些領(lǐng)先技術(shù)放在一起做融合方案，做出來的產(chǎn)品效果會非常好，也極大簡化了終端廠商的設(shè)計(jì)難度。”江雄表示。

提高輸出功率，整個鏈路的電流自然也會相應(yīng)提高，這對電量要求嚴(yán)苛的用戶終端來說影響較大。江雄對此解釋道：“雖然最終產(chǎn)品還在制作中，但根據(jù)我們對測試樣品的現(xiàn)場試驗(yàn)，電流表現(xiàn)很好。因?yàn)椴捎玫氖荰DT技術(shù)，實(shí)際電流會以看到的電流除以一個系數(shù)，所以并沒有看到電流明顯增加。另外我們還會采用ET技術(shù)應(yīng)對電流提高的問題，以達(dá)到省電的目的。”

不管怎么說，電流提高是事實(shí)，這會引起其它連鎖反應(yīng)，如射頻鏈路的溫度改變，不過Qorvo似乎已成竹在胸。溫度變化常常會造成濾波器的中心頻率漂移，這對信號抗干擾非常不利，Qorvo的BAW濾波器，具有低差損、更好的帶外抑制的特性。還有一個特性，叫低溫漂。就是在溫度的變化過程中，它本身的中心頻率不易漂移，這是腔體濾波器非常大的好處，而普通的SAW濾波器的漂移比較厲害。低溫漂的特性決定了溫度變化下BAW仍然有很好的帶外抑制。Qorvo的產(chǎn)品系列，QM75004模組支持多種平臺芯片，支持Power Class 2的設(shè)計(jì)。78065/78035 是為特定的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是支持Power Class 2 的集成模塊。江熊表示，下一代的產(chǎn)品會集成LNA，來應(yīng)對更為復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)和彌補(bǔ)天線能力的不足。優(yōu)秀的生產(chǎn)工藝一直是Qorvo引以為豪的鐵拳。憑借獨(dú)有的高性能HBT（Heterojunction Bipolar Transistor，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管）工藝，Qorvo將GaAs的潛能挖掘到極致。“Qorvo新推出的第五代HBT工藝再次提升了GaAs技術(shù)，使之能夠支持更高增益，這對研發(fā)針對PC2的PA產(chǎn)品相當(dāng)有利。目前新一代工藝的關(guān)鍵技術(shù)只有Qorvo掌握了，而Qorvo 2016年中后的GaAs新產(chǎn)品都將用到這項(xiàng)工藝。”江雄透露。

據(jù)介紹，Qorvo的融合方案已經(jīng)歷了幾代產(chǎn)品，從最開始支持單載波、B41窄帶的，發(fā)展到支持雙載波、B41寬帶的，再到新一代支持PC2的產(chǎn)品，集成度越來越高、性能越來越好。目前Qorvo針對PC2的融合方案還在優(yōu)化，已有數(shù)家業(yè)界領(lǐng)先的手機(jī)廠商在進(jìn)行評估工作。其中QM75004支持多種平臺芯片，QM78065/35是為特定的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再下一代的產(chǎn)品則會集成LNA，來應(yīng)對更為復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)和彌補(bǔ)天線能力的不足。關(guān)于PC2產(chǎn)品價(jià)格問題，江雄表示：“仍然會與整個市場相符合的價(jià)格去做，可能會有一點(diǎn)點(diǎn)變化，但是總體來講不會有太大影響。”

當(dāng)PA輸出更高功率的問題得以解決后，就得將目光投向射頻鏈路的其余部分了。傳統(tǒng)分離方案搭建的射頻鏈路，把包括PA、濾波器、開關(guān)等器件組合到一起，需要進(jìn)行阻抗匹配，而匹配加入的電阻電抗則會損耗能量。這些損耗讓功率沒法進(jìn)一步提高，尤其是分離方案，任何射頻器件的兩端都需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（50Ω）的匹配。但Qorvo高集成的融合方案卻可以省去多余的匹配，直接將PA與濾波器相匹配、濾波器與射頻開關(guān)相匹配，從而減少能量損耗。江雄說明道：“以Qorvo的融合產(chǎn)品為例，大約可以節(jié)省0.5dB因匹配產(chǎn)生的損耗，所以要提高功率，融合方案比分離方案有很大優(yōu)勢。”