手机射频PA战火再起,各大厂商纷纷增加滤波器产能

作为全球领先的射频方案提供商,Qorvo近日推出了高集成方案的BAW Filter,支持Power class 2 标准,可以提高30%的发射范围,以及提升手机射频3dBM的功率。 1703-RF-2 随着4G通信制式的普及以及向5G技术的演进,PA在手机中的地位越来越重要。特别是随着云服务、VR/AR等应用的兴起,智能移动终端开始需要更大的数据传输速度与更大的带宽,为了增加带宽,发展了载波聚合技术,还有MIMO(多路输入输出)蓝牙技术。这些新的技术使得射频的复杂度提高了,对于射频芯片要求也提高了。

目前手机中的RF器件包括功率放大器(PA)、双工器、开关、滤波器(包括SAW与BAW两种)、低噪放大器(LNA)等等。这些器件中,多模多频手机、特别是多载波聚合技术,对于滤波器与开关器件的需求增量最多。而随着射频滤波器变得越来越重要,各大射频前端厂商也在积极布局滤波器市场。 1703-RF-3 Qorvo中国区移动产品销售总监江熊认为,虽然全球手机市场一直在增长中,但最近几年有点饱和了,总量差不多会维持18亿左右,其中智能手机的量将达到14亿只,4G手机的量大概在5亿台左右。 1703-RF-4 Technavio在研究报告中指出,射频滤波器市场2016-2020的年复合增长率可达15%,并且已经超越PA成为整个射频前端模块市场中最重要的组成部分。从上面右图可以看到中国射频的市场容量,每年呈现大幅度的增长。

高通前些年收购了Blacksand进入PA市场,去年和日本电子元器件厂商TDK联合组建合资公司RF360 Holdings,主要开发滤波器。台湾联发科技则在日前宣布收购射频PA供应商络达,主要针对IOT市场。而在此前,联发科也曾立过一家针对手机领域的射频PA公司:源通。有业内人士分析,联发科收购络达后,将会选择PA与主芯片捆绑销售的策略。展讯则通过收购RDA,在射频PA领域占据了一席之地。以上这三大主芯片厂商最大的优势可能就是可以跟主芯片进行捆绑销售。特别是在一些中小手机公司里,主芯片公司具有很大的话语权。还有一些小的手机公司则倾向于采用Vanchip、汉天下、锐迪科、中普微、国民飞骧、慧智微,络达等公司的PA。不过这些国产PA缺少滤波器资源,与国际大厂竞争的时候困难重重。另一方面,随着主芯片公司打包销售PA,势必让这些公司后续销售难上加难。

不过,对于一些一线手机品牌来说,在高端产品线还是更倾向于采用独立的PA供应商,如Qorvo、Skywork、Broadcom等的产品。据了解,功率放大器市场基本被Skyworks、Qorvo、Broadcom三家企业占据,三家企业市场份额达93%;在滤波器领域,日企Murata、TDK和Taiyo Yuden占据SAW双工器85%以上。BAW双工器市场基本被Broadcom(Avago)垄断,博通占据87%的市场份额。

Skyworks是最依赖中国市场的美国半导体公司,其2015年中国市场收入占总收入的84%。目前包括华为、OPPO、Vivo等前五大中国手机厂商都已成为Skyworks的客户。Skyworks2014年通过与Panasonic成立合资公司而获得滤波器技术,不过滤波器主要供自己使用。总的来说,这些国际PA公司纷纷增设工厂,增加滤波器产品线,这也将成为未来独立射频PA公司的一大发展方向。 1703-RF-5 目前全球的RF前端主要被海外巨头垄断,这些独立的PA供应商不仅有研发,还有自己的生产工厂,封装测试工厂。主要的芯片都是自家生产,成本相对容易控制。其中Qorvo是由RFMD与TriQuint合并而成,客户中包括了APPLE、三星这样的Tier2客户。据介绍,目前Qorvo在美国有数个晶圆厂,其中有两个GaAs晶圆厂,三个滤波器晶圆厂。在哥斯达黎加还有一个滤波器厂。在中国有两个后端的封装测试厂,一个在北京,一个在德州。这些工厂保证了Qorvo可以在全球范围内为客户提供充沛的产能供应。

此次投入生产的Qorvo德州新工厂带来了非常先进的RF器件封测工艺,包括(晶圆)研磨减薄和切割工艺、倒装芯片贴装工艺、芯片贴装工艺、引线键合工艺、塑封成型工艺、切割工艺、电镀工艺以及激光打印等诸多工艺都实现了业内领先。“原有的北京工厂现在产能非常紧张,如前所述,由于多频多模LTE手机的需求,来自客户的RF器件订单旺盛,现在德州新工厂投入生产,正好形成互补,可以满足客户的需求。”江熊表示,新工厂的面积比北京工厂还增加了50%以上。

Power Class 2将会对2017年的手机行业产生什么影响?

自2015年初RFMD与TriQuint合并后,Qorvo的4G射频器件的出货量屡创新高。江熊表示,Qorvo的产品线包括两大类:一类是智能手机产品线,Qorvo提供完整的手机射频解决方案。另一类是基础设施和军工产品,包括面向未来的IOT领域,Qorvo也投入了非常多的资源来进行研发。现在多频多模LTE手机,特别是运营商最新要求的载波聚合等技术,都需要大量用到BAW(体声波)滤波器,一个手机中就要用到多颗BAW,这是Qorvo非常领先的领域。 1703-RF-6 这家拥有数座GaAs以及GaN 晶圆厂的老牌射频芯片厂商,对PA技术的研究相当深厚。“PA技术一直在演进中,在某些方面已经做到了极致,”江雄在“第六届EEVIA年度中国ICT媒体论坛暨2017产业和技术展望研讨会”上表示:“PA的功率要提得更高,那么线性度、效率这些指标都要比较好,这一系列的指标背后需要靠好的生产工艺来支撑。”

为了满足越来越复杂的射频需求,江熊介绍了目前射频领域的一些技术方向:

首先是载波聚合,载波聚合就是把不同的或者同一频段的不同通道聚合在一起,来实现增加带宽提高传输速度的技术。有上行CA和下行CA技术,下行CA技术会走的更快些,有两载波,三载波和四载波下行CA技术,特别是下行4载波可以把下行数据传输率提高到接近1Gbps。据预测将来5G数据传输率可以到达5Gbps。

第二个是ET技术。ET通过DCDC使得整个链路的功率得以提高,而电流降低。ET也需要设计相应的新的功放和开关。

第三个是多路进出蓝牙技术。Qorvo为此专门设计了新的PA和滤波器,还有更紧凑性模块。 1703-RF-7 除了前面提到的三大技术方向,江熊还专门介绍了Power Class 2(以下简称PC2)技术,以及该技术将对手机业产生的影响。PC2,也可称作“UE Power Class 2”。Power Class指功率等级,PC2就是指用户终端以功率等级2规定的最大输出功率工作。2015年第14届GTI工作会议上,PC2作为一种技术概念被提出。到2016年,包括Sprint,CMCC和Softbank在内的三大运营商开始推荐该技术,预计到2017年年中,Sprint会开始部分产品商用。

PC2有什么好处呢?目前,对于绝大多数的4G LTE频段(除应用于公共安全领域的B14外),3GPP仅规范了一种功率等级,即Power Class 3(下称PC3),将UE的最大输出功率限制在23 dBm±2的水平。随着无线网络的发展,PC3的局限性越发明显。首先,随着移动通信频谱逐渐向高频迁移,无线信号在传播过程中的衰减加剧,导致基站覆盖范围变小,尤其在4G频段当中处于相对高频的B41(2.5~2.7GHz)频段。其次基站与用户终端的发射功率并不平衡,4G LTE网络下行与上行链路的功率差异大约为5dB,因此在某些只有下行覆盖的区域,用户终端只能下载数据而不能上传数据,这往往会造成接入或切换失败。要解决上述两个棘手问题,通常以提高基站密度为代价,这就变相增加了网络建设与维护成本。另外,全球范围内部署的TD-LTE网络中,大多数应用场景是以部署于低频段的LTE FDD网络做覆盖,以部署于高频段的TD-LTE网络提供小范围的大容量覆盖,但由于这两种网络覆盖范围不一致,导致小区边缘用户的业务体验还有待提高。这也是为什么在网络拥堵的地方,往往只能接受信息,而无法发送信息。

作为全球领先的射频方案提供商,Qorvo近日推出了高集成方案的BAW Filter,支持Power class 2 标准,可以提高30%的发射范围,以及提升手机射频3dBM的功率。PC2使得手机在B41的性能和B25一样好。此外,B41是相对高频的频段,在传播过程中衰减比较快,路径的损失比较大,所以单载波的时候覆盖范围还是有限的。运营商必须增加非常多的基站才能增加用户体验。从PC3替换到PC2后,最明显的好处是在B41 TD-LTE方面,手机被单一基站覆盖范围提高了30%。对运营商来说,提高了3dB以后,手机被单一基站覆盖范围提高了30%,这是非常有吸引力的。此外,提高了3dBm后,和B25相比,B41对于电池寿命也有13%的增加。

如何解决PC2商用的技术挑战?

1703-RF-8 不过在PC2商用化以前,存在许多技术挑战。根据标准定义,PC2在PC3的基础上,把UE最大输出功率提高3 dB至26 dBm±2的水平(23dBm可换算成200mW,26dBm可换算成400mW),这几乎使得UE的最大输出功率翻倍,UE的射频电路必须做很多改动。“PC2的这3dB其实不好做。它不单止是PA的问题,还涉及到整个链路、线性度、效率、插损、匹配等一系列问题都需要通盘考虑。”江熊表示,第一是PA的增益需要提高,其他的指标如线性度,电流这些指标也要符合标准。第二是BAW滤波器,BAW滤波器具有插损小,带外抑制要更好的特点,对于提高功率的输出是有很大的帮助。第三是高集成度的模块。传统采用的分离方式,功放,开关和滤波器各自分开。以上三个部分的改动相当于做一个“大手术”,于是射频厂商开始倾向于提供融合集成的方案,这种方案的普及使得4G手机射频行业开始面临洗牌。江熊表示,一个明显的趋势是中国以及国际的顶级手机品牌都在考虑采用这种融合的方案。 1703-RF-9 采用融合方案的好处除了设计的时间可以缩短,生产过程也会变的简单,物料的管理也会简单,最终都体现在成本的控制。江熊表示,Qorvo的融合方案也已经经历了几代产品了,有只有支持单载波的,B41窄带和B40,发展到支持双载波的B41宽带,带宽20MMhz +20Mhz。下一代的产品会支持Power Class 2。 1703-RF-10 相对于分离方案,融合方案还有其它好处。比如如图中所示,由于每家厂商的器件都不一样,标星号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环节。江熊表示,下一代的融合产品与上一代产品还有一个区别是添加了LNA。因为天线的设计复杂程度越来越高,天线的接收灵敏度就降低了,要解决这样的问题就要在天线口加上LNA,LNA的作用就是把弱信号放大,同时产生尽可能低的噪音和失真。 1703-RF-11 “Qorvo不仅有高性能的PA与射频开关,还有高级BAW滤波器,这是其它没有BAW滤波器技术的射频厂家非常羡慕的优势。把这些领先技术放在一起做融合方案,做出来的产品效果会非常好,也极大简化了终端厂商的设计难度。”江雄表示。

提高输出功率,整个链路的电流自然也会相应提高,这对电量要求严苛的用户终端来说影响较大。江雄对此解释道:“虽然最终产品还在制作中,但根据我们对测试样品的现场试验,电流表现很好。因为采用的是TDT技术,实际电流会以看到的电流除以一个系数,所以并没有看到电流明显增加。另外我们还会采用ET技术应对电流提高的问题,以达到省电的目的。”

不管怎么说,电流提高是事实,这会引起其它连锁反应,如射频链路的温度改变,不过Qorvo似乎已成竹在胸。温度变化常常会造成滤波器的中心频率漂移,这对信号抗干扰非常不利,Qorvo的BAW滤波器,具有低差损、更好的带外抑制的特性。还有一个特性,叫低温漂。就是在温度的变化过程中,它本身的中心频率不易漂移,这是腔体滤波器非常大的好处,而普通的SAW滤波器的漂移比较厉害。低温漂的特性决定了温度变化下BAW仍然有很好的带外抑制。 1703-RF-12 Qorvo的产品系列,QM75004模组支持多种平台芯片,支持Power Class 2的设计。78065/78035 是为特定的天线结构设计,是支持Power Class 2 的集成模块。江熊表示,下一代的产品会集成LNA,来应对更为复杂的天线设计和弥补天线能力的不足。 1703-RF-13 优秀的生产工艺一直是Qorvo引以为豪的铁拳。凭借独有的高性能HBT(Heterojunction Bipolar Transistor,异质结双极晶体管)工艺,Qorvo将GaAs的潜能挖掘到极致。“Qorvo新推出的第五代HBT工艺再次提升了GaAs技术,使之能够支持更高增益,这对研发针对PC2的PA产品相当有利。目前新一代工艺的关键技术只有Qorvo掌握了,而Qorvo 2016年中后的GaAs新产品都将用到这项工艺。”江雄透露。

据介绍,Qorvo的融合方案已经历了几代产品,从最开始支持单载波、B41窄带的,发展到支持双载波、B41宽带的,再到新一代支持PC2的产品,集成度越来越高、性能越来越好。目前Qorvo针对PC2的融合方案还在优化,已有数家业界领先的手机厂商在进行评估工作。其中QM75004支持多种平台芯片,QM78065/35是为特定的天线结构设计,再下一代的产品则会集成LNA,来应对更为复杂的天线设计和弥补天线能力的不足。关于PC2产品价格问题,江雄表示:“仍然会与整个市场相符合的价格去做,可能会有一点点变化,但是总体来讲不会有太大影响。”

当PA输出更高功率的问题得以解决后,就得将目光投向射频链路的其余部分了。传统分离方案搭建的射频链路,把包括PA、滤波器、开关等器件组合到一起,需要进行阻抗匹配,而匹配加入的电阻电抗则会损耗能量。这些损耗让功率没法进一步提高,尤其是分离方案,任何射频器件的两端都需要进行标准化(50Ω)的匹配。但Qorvo高集成的融合方案却可以省去多余的匹配,直接将PA与滤波器相匹配、滤波器与射频开关相匹配,从而减少能量损耗。江雄说明道:“以Qorvo的融合产品为例,大约可以节省0.5dB因匹配产生的损耗,所以要提高功率,融合方案比分离方案有很大优势。”

《国际电子商情》原创文章,转载请注明原文地址和链接

20160719-ESMC-1