手機射頻PA戰火再起，各大廠商紛紛增加濾波器產能

作為全球領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 標準，可以提高30%的發射范圍，以及提升手機射頻3dBM的功率。隨著4G通信制式的普及以及向5G技術的演進，PA在手機中的地位越來越重要。特別是隨著云服務、VR/AR等應用的興起，智能移動終端開始需要更大的數據傳輸速度與更大的帶寬，為了增加帶寬，發展了載波聚合技術，還有MIMO（多路輸入輸出）藍牙技術。這些新的技術使得射頻的復雜度提高了，對于射頻芯片要求也提高了。

目前手機中的RF器件包括功率放大器（PA）、雙工器、開關、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、特別是多載波聚合技術，對于濾波器與開關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中國區移動產品銷售總監江熊認為，雖然全球手機市場一直在增長中，但最近幾年有點飽和了，總量差不多會維持18億左右，其中智能手機的量將達到14億只，4G手機的量大概在5億臺左右。Technavio在研究報告中指出，射頻濾波器市場2016-2020的年復合增長率可達15%，并且已經超越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，每年呈現大幅度的增長。

高通前些年收購了Blacksand進入PA市場，去年和日本電子元器件廠商TDK聯合組建合資公司RF360 Holdings，主要開發濾波器。臺灣聯發科技則在日前宣布收購射頻PA供應商絡達，主要針對IOT市場。而在此前，聯發科也曾立過一家針對手機領域的射頻PA公司：源通。有業內人士分析，聯發科收購絡達后，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領域占據了一席之地。以上這三大主芯片廠商最大的優勢可能就是可以跟主芯片進行捆綁銷售。特別是在一些中小手機公司里，主芯片公司具有很大的話語權。還有一些小的手機公司則傾向于采用Vanchip、漢天下、銳迪科、中普微、國民飛驤、慧智微，絡達等公司的PA。不過這些國產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銷售難上加難。

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

Skyworks是最依賴中國市場的美國半導體公司，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，不過濾波器主要供自己使用。總的來說，這些國際PA公司紛紛增設工廠，增加濾波器產品線，這也將成為未來獨立射頻PA公司的一大發展方向。目前全球的RF前端主要被海外巨頭壟斷，這些獨立的PA供應商不僅有研發，還有自己的生產工廠，封裝測試工廠。主要的芯片都是自家生產，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。據介紹，目前Qorvo在美國有數個晶圓廠，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可以在全球范圍內為客戶提供充沛的產能供應。

此次投入生產的Qorvo德州新工廠帶來了非常先進的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現了業內領先。“原有的北京工廠現在產能非常緊張，如前所述，由于多頻多模LTE手機的需求，來自客戶的RF器件訂單旺盛，現在德州新工廠投入生產，正好形成互補，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年的手機行業產生什么影響？

自2015年初RFMD與TriQuint合并后，Qorvo的4G射頻器件的出貨量屢創新高。江熊表示，Qorvo的產品線包括兩大類：一類是智能手機產品線，Qorvo提供完整的手機射頻解決方案。另一類是基礎設施和軍工產品，包括面向未來的IOT領域，Qorvo也投入了非常多的資源來進行研發。現在多頻多模LTE手機，特別是運營商最新要求的載波聚合等技術，都需要大量用到BAW（體聲波）濾波器，一個手機中就要用到多顆BAW，這是Qorvo非常領先的領域。這家擁有數座GaAs以及GaN 晶圓廠的老牌射頻芯片廠商，對PA技術的研究相當深厚。“PA技術一直在演進中，在某些方面已經做到了極致，”江雄在“第六屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2017產業和技術展望研討會”上表示：“PA的功率要提得更高，那么線性度、效率這些指標都要比較好，這一系列的指標背后需要靠好的生產工藝來支撐。”

為了滿足越來越復雜的射頻需求，江熊介紹了目前射頻領域的一些技術方向：

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，來實現增加帶寬提高傳輸速度的技術。有上行CA和下行CA技術，下行CA技術會走的更快些，有兩載波，三載波和四載波下行CA技術，特別是下行４載波可以把下行數據傳輸率提高到接近１Ｇbps。據預測將來5G數據傳輸率可以到達５Gbps。

第二個是ET技術。ET通過DCDC使得整個鏈路的功率得以提高，而電流降低。ET也需要設計相應的新的功放和開關。

第三個是多路進出藍牙技術。Qorvo為此專門設計了新的PA和濾波器，還有更緊湊性模塊。除了前面提到的三大技術方向，江熊還專門介紹了Power Class 2（以下簡稱PC2）技術，以及該技術將對手機業產生的影響。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作為一種技術概念被提出。到2016年，包括Sprint，CMCC和Softbank在內的三大運營商開始推薦該技術，預計到2017年年中，Sprint會開始部分產品商用。

PC2有什么好處呢？目前，對于絕大多數的4G LTE頻段（除應用于公共安全領域的B14外），3GPP僅規范了一種功率等級，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。隨著無線網絡的發展，PC3的局限性越發明顯。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，導致基站覆蓋范圍變小，尤其在4G頻段當中處于相對高頻的B41（2.5~2.7GHz）頻段。其次基站與用戶終端的發射功率并不平衡，4G LTE網絡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域，用戶終端只能下載數據而不能上傳數據，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，這就變相增加了網絡建設與維護成本。另外，全球范圍內部署的TD-LTE網絡中，大多數應用場景是以部署于低頻段的LTE FDD網絡做覆蓋，以部署于高頻段的TD-LTE網絡提供小范圍的大容量覆蓋，但由于這兩種網絡覆蓋范圍不一致，導致小區邊緣用戶的業務體驗還有待提高。這也是為什么在網絡擁堵的地方，往往只能接受信息，而無法發送信息。

作為全球領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 標準，可以提高30%的發射范圍，以及提升手機射頻3dBM的功率。PC2使得手機在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。運營商必須增加非常多的基站才能增加用戶體驗。從PC3替換到PC2后，最明顯的好處是在B41 TD-LTE方面，手機被單一基站覆蓋范圍提高了30%。對運營商來說，提高了3dB以后，手機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商用的技術挑戰？

不過在PC2商用化以前，存在許多技術挑戰。根據標準定義，PC2在PC3的基礎上，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，其他的指標如線性度，電流這些指標也要符合標準。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，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。傳統采用的分離方式，功放，開關和濾波器各自分開。以上三個部分的改動相當于做一個“大手術”，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手機射頻行業開始面臨洗牌。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計的時間可以縮短，生產過程也會變的簡單，物料的管理也會簡單，最終都體現在成本的控制。江熊表示，Qorvo的融合方案也已經經歷了幾代產品了，有只有支持單載波的，B41窄帶和B40，發展到支持雙載波的B41寬帶，帶寬20MMhz +20Mhz。下一代的產品會支持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節。江熊表示，下一代的融合產品與上一代產品還有一個區別是添加了LNA。因為天線的設計復雜程度越來越高，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，還有高級BAW濾波器，這是其它沒有BAW濾波器技術的射頻廠家非常羨慕的優勢。把這些領先技術放在一起做融合方案，做出來的產品效果會非常好，也極大簡化了終端廠商的設計難度。”江雄表示。

提高輸出功率，整個鏈路的電流自然也會相應提高，這對電量要求嚴苛的用戶終端來說影響較大。江雄對此解釋道：“雖然最終產品還在制作中，但根據我們對測試樣品的現場試驗，電流表現很好。因為采用的是TDT技術，實際電流會以看到的電流除以一個系數，所以并沒有看到電流明顯增加。另外我們還會采用ET技術應對電流提高的問題，以達到省電的目的。”

不管怎么說，電流提高是事實，這會引起其它連鎖反應，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的產品系列，QM75004模組支持多種平臺芯片，支持Power Class 2的設計。78065/78035 是為特定的天線結構設計，是支持Power Class 2 的集成模塊。江熊表示，下一代的產品會集成LNA，來應對更為復雜的天線設計和彌補天線能力的不足。優秀的生產工藝一直是Qorvo引以為豪的鐵拳。憑借獨有的高性能HBT（Heterojunction Bipolar Transistor，異質結雙極晶體管）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，使之能夠支持更高增益，這對研發針對PC2的PA產品相當有利。目前新一代工藝的關鍵技術只有Qorvo掌握了，而Qorvo 2016年中后的GaAs新產品都將用到這項工藝。”江雄透露。

據介紹，Qorvo的融合方案已經歷了幾代產品，從最開始支持單載波、B41窄帶的，發展到支持雙載波、B41寬帶的，再到新一代支持PC2的產品，集成度越來越高、性能越來越好。目前Qorvo針對PC2的融合方案還在優化，已有數家業界領先的手機廠商在進行評估工作。其中QM75004支持多種平臺芯片，QM78065/35是為特定的天線結構設計，再下一代的產品則會集成LNA，來應對更為復雜的天線設計和彌補天線能力的不足。關于PC2產品價格問題，江雄表示：“仍然會與整個市場相符合的價格去做，可能會有一點點變化，但是總體來講不會有太大影響。”

當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。傳統分離方案搭建的射頻鏈路，把包括PA、濾波器、開關等器件組合到一起，需要進行阻抗匹配，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一步提高，尤其是分離方案，任何射頻器件的兩端都需要進行標準化（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、濾波器與射頻開關相匹配，從而減少能量損耗。江雄說明道：“以Qorvo的融合產品為例，大約可以節省0.5dB因匹配產生的損耗，所以要提高功率，融合方案比分離方案有很大優勢。”