最近十幾年中，射頻前端方案快速演進。“模組化”是射頻前端演進的重要方向。
射頻前端的“模組化”究竟是什么，它是怎么來的，又有什么挑戰(zhàn)？
帶著以上問題，本文對射頻前端模組的發(fā)展過程做一個梳理，對射頻前端產(chǎn)品模組化進程中的挑戰(zhàn)和未來可能的演進做一個討論。
01.
射頻前端的模組化
是什么？
射頻前端是指天線后，收發(fā)機之前的部分。射頻前端主要有PA（功率放大器）、Switch（開關(guān)）、LNA（低噪聲放大器）及Filter（濾波器）構(gòu)成。
射頻前端的模組化方案（Integrated Solution）與分立方案（Discrete Solution）相對應(yīng)。發(fā)射通路中的模組化是指將PA與Switch及濾波器（或雙工器）做集成，構(gòu)成PAMiD等方案；接收通路的模組化是指將接收LNA和開關(guān)，與接收濾波器集成，構(gòu)成L-FEM等方案。模組化方案與分立方案的區(qū)別如下圖所示。
圖：分立方案（a）與模組方案（b）實現(xiàn)的射頻前端系統(tǒng)
根據(jù)模組內(nèi)集成器件的不同，射頻前端模組也有不同的名稱。常見的模組名稱及集成的器件如下表所示。
表：不同射頻前端簡寫及集成子模塊
在3G及4G的早期時代，手機需要覆蓋的頻段不多，射頻前端一般采用分立方案。到了4G多頻多模時代，手機需要眾多器件才能滿足全球頻段的支持需求，射頻前端也變的越來越復(fù)雜；同時，分立方案在一定程度上無法滿足高集成度、高性能的需求，集成模組方案得到了規(guī)?；捎?。目前，iPhone中已經(jīng)全面采用模組化方案，根據(jù)拆機分析網(wǎng)站eWisetech的拆機分析，在2020年至2021年華為、小米、OPPO、vivo、榮耀等多個廠商發(fā)布的手機中，處于1500至2000人民幣價位帶的多款手機已采用模組化方案[1]。
02.
5G射頻前端模組的前世
2000-2009年：
先驅(qū)者的嘗試，PAMiD萌芽的10年
射頻前模組方案中，最具代表性的就是發(fā)射通路的PAMiD模組。PAMiD是PAModule integrated with Duplexer的縮寫，早期也被稱為PAD，是集成了PA、開關(guān)與濾波器的模組。
最早的PAMiD可追溯到2000年初，兩家先驅(qū)型射頻前端公司Triquint及Agilent看到集成模組化帶來高集成、高性能及低成本優(yōu)勢，開始做集成模組化的嘗試，兩家公司均實現(xiàn)了開創(chuàng)性的工作。
Triquint是當時領(lǐng)先的CDMA射頻前端供應(yīng)商，在并購了濾波器廠商Sawtek后，Li,P.,Souchuns,C.,和Henderson,G.于2001年左右開始模組化產(chǎn)品TQM71312的研發(fā)。2003年，Microwave Journal報道了該產(chǎn)品的工作，指出模組化設(shè)計將帶來高性能、高集成度、小尺寸及高易用性，取得了40%的平均電流降低[2]。這是行業(yè)內(nèi)第一個公開發(fā)布和報道的集成模組產(chǎn)品，在后續(xù)行業(yè)綜述中，這項工作被引用為集成模組產(chǎn)品的開端。
圖：（a）Triquint于2003推出的模組產(chǎn)品TQM71312
（b）Triquint對其模組產(chǎn)品的說明
在報道中，Triquint的集成模組產(chǎn)品系列命名是TritiumTM。功不唐捐，先驅(qū)者的付出并沒有白費。蘋果公司在2008年推出的首款支持3G的iPhone手機iPhone 3G中，首次采用了模組方案。而iPhone 3G中用于支持3G信號的射頻前端就是Triquint TritiumTM III系列模組芯片[4]。Triquint2014年與RFMD公司合并成立Qorvo公司，Triquint在集成模組的優(yōu)勢，在Qorvo時代依然延續(xù)。
圖：iPhone 3G所采用的Triquint PAMiD模組
值得一提的是，當年Triquint參與業(yè)界首款開創(chuàng)性集成模組的3名設(shè)計人員中，有2位今天依然活躍在業(yè)界一線，引領(lǐng)和推動著行業(yè)發(fā)展，對工程師來講射頻行業(yè)實在是一個事業(yè)常青的領(lǐng)域。
關(guān)注到PAMiD的另外一家公司是Agilent。Agilent是有悠久歷史和傳承的射頻前端廠商，源于HP。Agilent于2001年開始實現(xiàn)FBAR濾波器的量產(chǎn)，到了2002年，實現(xiàn)了千萬級出貨[5]，將自己的射頻PA產(chǎn)品與濾波器產(chǎn)品做整合變成了順理成章的選擇。AFEM-7731是Agilent于2005年推出的CDMA PAD產(chǎn)品。與Triquint公司的TQM71312類似，AFEM-7731內(nèi)部集成一路CDMA PA及一個雙工器。得益于FBAR的低插損，Agilent表示AFEM-7731可以取得優(yōu)秀的線性和效率性能[6]。
圖：Agilent于2005年推出的
CDMA集成模組產(chǎn)品AFEM-7731
或許是看到射頻前端巨大的發(fā)展前景，2005年12月12日，Agilent的射頻前端部分從Agilent獨立出來，成立新公司Avago，成為當時最大的非上市獨立半導(dǎo)體公司，并于2009年上市。2016年，Avago與Broadcom合并，新公司更名為Broadcom。
盡管Avago具有FBAR技術(shù)帶來的濾波器性能優(yōu)勢，但在2000年初，它的射頻功率放大器處于弱勢，集成模組產(chǎn)品的進展并不盡如人意。直到2010年左右，基于新工藝和新功率合成架構(gòu)的射頻功率放大器獲得性能優(yōu)勢，進而帶動了集成模組產(chǎn)品的成功。2012年起，Avago在PAMiD的產(chǎn)品及之后的Broadcom公司的射頻前端模組產(chǎn)品，被大量應(yīng)用于iPhone系列手機中。
2010-2019：
國際廠商推動，模組方案主流化的10年
蘋果的引領(lǐng)
2010年，蘋果推出iPhone4手機，單款機型銷量超過5,000萬部，是當時最成功的iPhone手機。從2010年開始，蘋果公司開始對智能手機的全面引領(lǐng)。在iPhone4手機中，依然采用Triquint TritiumTM系列PAMiD方案實現(xiàn)3G射頻前端。
在2012年發(fā)布的首款支持4G的iPhone手機iPhone5中，iPhone采用了Triquint、Avago及Skyworks的模組化產(chǎn)品[7]。蘋果繼續(xù)堅定的采用模組化方案。
圖：iPhone5(A1429型號)射頻前端方案，
采用模組化方案進行設(shè)計
在這一時期射頻前端供應(yīng)商在模組化也進行了堅決的投入。為了實現(xiàn)模組化中模塊的優(yōu)勢整合，一系列射頻前端公司也進行了合并：
2014年，RFMD宣布與Triquint合并，成為Qorvo公司。
2014年，Skyworks與松下成立合資公司，2016年Skyworks將合資公司全資收入旗下。
2017年，高通宣布與TDK成立合資公司RF360，2019年高通將合資公司合資收入放下。
圖：射頻前端公司的整合
除了在蘋果手機中使用的定制化射頻前端模組方案，各個射頻前端供應(yīng)商開始將模組化產(chǎn)品推向公開市場。Skyworks在2014年推出SkyOne®方案，Qorvo也在2014年推出RF FusionTM方案。Skyworks在對SkyOne方案的介紹中指出：“SkyOne®是首款將多頻功率放大器及多擲開關(guān)同所有相關(guān)濾波、雙工通信及控制功能整合在一個單一、超集成封裝當中的半導(dǎo)體設(shè)備，所用空間還不到行業(yè)最先進技術(shù)的一半”[8]。
圖：Skyworks與Qorvo向公開市場推出PAMiD方案
FEMiD：模組化的另外一種選擇
雖然PAMiD模組化方案有諸多的性能優(yōu)勢，但其供應(yīng)劣勢也相對明顯：廠商必須要同時掌握有源（PA及LNA，Switch）及無源（SAW、BAW或FBAR）等能力，才有辦法設(shè)計出PAMiD模組。而同時掌握這些資源的廠商只有Skyworks、Qorvo、Broadcom及Qualcomm等少數(shù)具有完整資源的廠商。
于是，華為、三星等終端公司著手推動FEMiD（Front-end Module integrated with Duplexer）方案。FEMiD是將天線開關(guān)及濾波器整合為一個模組，交由濾波器公司提供；PA依然采用分立方案，由PA公司提供。這種方案有效的發(fā)揮了無源公司與有源公司的特長。華為、三星等終端也因此擺脫了對PAMiD廠商的絕對依賴。
圖：PAMiD與FEMiD方案對比
（a）PAMiD方案（b）FEMiD方案
2016年，PAMiD與FEMiD的主要供應(yīng)商如下。Broadcom、Skyworks及Qorvo是主要的PAMiD供應(yīng)商，村田和RF360是主要的FEMiD供應(yīng)商[7]。
圖：PAMiD與FEMiD主要供應(yīng)商
03.
5G射頻前端模組的今生
Phase6/7系列
PAMiD方案的歸一
不過，與iPhone中模組化方案的絕對主流相比，早期公開市場的模組化方案推廣并不順利。原因是Skyworks與Qorvo各自定義，所推廣的方案并不兼容，在技術(shù)上和供應(yīng)上都給平臺適配和客戶使用造成困擾。
為了解決方案統(tǒng)一的問題，MTK平臺、國內(nèi)頭部手機廠商及Skyworks/Qorvo射頻前端廠商聯(lián)合發(fā)起Phase6系列射頻前端集成方案定義。在Phase6方案中，Low Band(包括2G)與Mid/HighBand兩顆PAMiD構(gòu)成完整發(fā)射方案。
圖：Phase6與Phase6L方案的定義
由于方案歸一，并且終端廠商、平臺廠商及芯片廠商聯(lián)合參與定義，Phase6系列方案自2016年推出后，得到華為、小米、OPPO及vivo等手機廠商認可。在對于性能及集成度有高要求的高端手機中得到使用，模組化方案得到了普及。5G到來之后，Phase6系列方案演進至Phase7/7L，依然維持PAMiD模組化定義。
2020至之后：
國產(chǎn)開始形成突破
隨著2019年底運營商5G陸續(xù)商用，2020年5G元年正式開啟。5G到來之后，手機終端需要支持更多的頻段。并且5G定義了3GHz以上，6GHz以下的超高頻（UHB，Ultra-High band）頻段，對射頻前端性能提出了更高要求。
經(jīng)過兩年的方案迭代，5G方案已基本收斂。主要分為Phase7系列方案及Phase5N兩種方案。兩種方案在Sub-6GHz UHB新頻段部分方案相同，均為L-PAMiF集成模組方案；在Sub-3GHz頻段分別為PAMiD模組方案和Phase5N分立方案。
圖：5G手機射頻前端方案
Sub-6GHz UHB頻段L-PAMiF：國產(chǎn)已成熟商用
Sub-6GHz UHB頻段為5G新增頻段，頻率高、功率大，且增加SRS切換等復(fù)雜功能，集成LNA、PA、濾波器、收發(fā)開關(guān)及SRS開關(guān)的L-PAMiF成為主流選擇。
在Sub-6GHz UHB L-PAMiF產(chǎn)品中，國產(chǎn)廠商逐漸形成突破。2019年12月，在中國5G正式商用的2個月之后，n77/78/79雙頻L-PAMiF S55255-11量產(chǎn)，國產(chǎn)射頻前端廠商首次與國際廠商同時同質(zhì)推出產(chǎn)品。2021年，國內(nèi)射頻前端廠商陸續(xù)推出UHB L-PAMiF產(chǎn)品，在未來演進中，國產(chǎn)UHB L-PAMiF產(chǎn)品會越來越有競爭力。
Sub-3GHz頻段：國產(chǎn)亟待突破
相比于Sub-6GHz，雖然Sub-3GHz模組頻率更低、功率更低，不需要復(fù)雜的SRS開關(guān)等，但由于Sub-3GHz頻段較多，需要集成的濾波器及雙工器更多，并且是SAW、BAW及FBAR等聲學(xué)濾波器，對濾波器資源的獲取、多頻段的系統(tǒng)設(shè)計能力提出了高的要求。
對于Sub-3GHz PAMiD/L-PAMiD模組產(chǎn)品設(shè)計，主要的挑戰(zhàn)有：
1.全模塊子電路的設(shè)計和量產(chǎn)能力
需要射頻前端廠商有模塊內(nèi)每個主要電路的成熟設(shè)計及產(chǎn)品化能力，如各頻段的PA、LNA及開關(guān)等，并且各子模塊無性能短板。
2.強大的系統(tǒng)設(shè)計能力
全集成模組本身構(gòu)成一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到發(fā)射與接收之間隔離、各頻段之間的抑制及載波聚合的通路設(shè)計等等問題。射頻前端不再是一個單獨的功能模塊，需要廠商有強大的系統(tǒng)分析與設(shè)計能力。
3.小型化濾波器資源
小型化可集成的濾波器資源是模組設(shè)計的稀缺資源，目前在Sub-3GHz用到的主要是WLP（Wafer Level Package，晶圓級封裝）或CSP（Chip Scale Package，芯片級封裝）兩種封裝結(jié)構(gòu)的濾波器。兩種濾波器的比較如下圖所示。WLP濾波器尺寸小、與模組內(nèi)其他模塊的設(shè)計中有優(yōu)勢，是未來模組內(nèi)濾波器的發(fā)展方向。
圖：WLP與CSP兩種封裝結(jié)構(gòu)下的濾波器比較
以上能力的同時具備是設(shè)計Sub-3GHz模組產(chǎn)品的必要條件，也是國內(nèi)射頻前端廠商面臨的挑戰(zhàn)。在國內(nèi)廠商對以上挑戰(zhàn)未完全實現(xiàn)突破的情況下，國內(nèi)廠商在Sub-3GHz只能提供分立方案。目前Sub-3GHz集成與分立方案的比較如下：
圖：Sub-3GHz典型的模組方案與分立方案比較
雖然有諸多問題和挑戰(zhàn)，射頻前端模組仍是國內(nèi)射頻前端廠商必須攻克的產(chǎn)品類別。
04.文章結(jié)語
“模組化”是射頻前端演進的重要方向，在這個過程中，濾波器廠商與模組廠商都面臨巨大的挑戰(zhàn)和機遇。
