目前手机射频架构（手机终端中的可调射频组件技术）

图1、理想的可调谐射频前端架构可以降低手机射频前端的复杂度

虽然离散可调射频功能和产品已经存在多年，但我们这里定义另外一种可调射频（RF）功能，它的目标工作频率和/或性能参数可以在软件控制下动态调节。这种调整通常是响应于手机的微环境和/或宏环境的变化。代表性变化包括但不限于以下方面的变化：手机的物理配置;手和/或头部位置;传输功率和/或接收灵敏度;本地干扰环境;并通过网络呼叫切换或其他类型的频道/频带/模式重新分配。

图2、当前的4G手机中的射频前端模块的框图

可调射频有能力协助设计人员解决日益复杂的RFFE设计限制。市场营销的好处可以包括实现所需的形状因素（工业设计），包括越来越薄的设计，所有的玻璃/屏幕正面和金属外壳/框架结构。同样，如果不是更多的话，那么手机OEM可以获得商业利益。其中包括更快的上市时间，卓越的性能和可用性，SKU数量的减少，每部手机的物料成本（BOM）成本和复杂性的降低，以及现场升级的可能性，以适应新的或重新养殖的光谱。

图3、理想的可调TRX链路

图4、可调发射机架构

图5、可调收发信机系统

凭借可调谐RF提供的所有潜在优势，为什么所有手机OEM都不采用可调谐方法来实现RF前端？原因包括以下几点：

风险：延误上市时间或在现场出现问题可能会产生巨大的负面和持久的财务后果。只要有其他人是风险足够高的先驱者，每个人都乐于成为快速的追随者。

需要采用不同的设计方法：为了最大限度地发挥可调RF解决方案的潜力，前端需要设计成可调谐的，这通常意味着与传统固定RF组件相比有不同的设计标准和目标。例如，将天线设计为可调谐意味着需要聚焦于实现最大化辐射效率，并允许调谐器进行匹配，而不是像传统上那样必须平衡辐射效率和匹配。

成本：手机OEM厂商需要在现有硬件平台上进行大量投资，而这些平台需要最大限度的被利用。由于网络运营商客户面临严峻的成本压力，他们的目标是避免BOM成本增加的可能性，除非有令人信服的理由。

图6、CA和MIMO架构导致智能手机的射频前端设计日益复杂

采用可调谐射频组件令人信服的理由可以多种形式出现。虽然采用针对3.5G和3.9G手机的可调谐射频解决方案有显而易见的好处，但并不清楚采用是否仅仅具有很好的功能。但对于4G来说，实施可调解决方案有明确的要求。较低的工作频段，由CA和MIMO架构来支持的消费者对数据速率的更高期望，网络运营商对4G基础设施投资的投资回报（ROI，return on investment）预期以及持续的手机ID设计限制，都明确要求射频前端的演变。

图7、CA和需要支持频段数增加导致前端的滤波器数量急剧增加

但是，考虑到手机OEM对风险的担忧，以及实施方法和成本方面的差异 - 可调RF供应商如何推动手机OEM厂商采用可调射频（RF）元件？答案是：可以先通过确定一个初始的应用，这个应用具有很高的要求和大量的好处，这样OEM厂商仍然能够同时维持平台的投资和天线调整。而不是从现有的RFFE（射频前端）体系结构（通过在静态组件之间插入可调元件从而产生扇入/扇出方面的挑战）开始，天线位于RFFE（射频前端）的一端。下图显示了位于量产手机电路板上的阻抗调谐器，位于天线触点旁边（天线位于手机的一端）。

图8、阻抗调谐器在射频前端中的位置

考虑到位置，增加一个调谐器是可能的，这对现有RFFE（射频前端）设计的其余部分的扰动最小，这降低了采用这种技术的障碍。

图9、传统的阻抗调谐

根据调谐器连接的物理位置和预期功能，可以将天线调谐分为如下三类：

孔径或者负载调谐（Aperture or load tuning）：这种调谐器直接连接到距离馈电点的某个物理位置处的辐射单元上。

阻抗调谐（Impedance tuning）：调谐器位于连接至辐射单元馈电点的传输线上;在调谐器位置附近的信号线被屏蔽（以便不产生辐射或者被干扰）。

馈电点或耦合调谐：调谐器位于辐射单元馈电点和辐射单元之间的过渡传输线处。

我们也可以根据用于实现的具体技术来对天线调谐器进行分类。今天，三种基本技术方法正在用于实施天线调谐解决方案：

图10、开关电容阵

开关电容：通常，SOI FET开关用于在固定的MIM电容之间切换。

钛酸锶钡（BST，Barium strontium titanate ）电容器：用于通过控制芯片和一个或多个BST电容器芯片的组合来提供平滑变化的电容容值。

射频微机电系统（MEMS，microelectromechanical systems）电容：它们使用可以利用静电力来移动（启动）的机械结构，以提供一组数字方式的可调电容值，通常用CMOS工艺来单片集成。

图11、可调谐的RF-MEMS电容对

图12、各种可调谐的RF技术的比较

RF前端和可调RF组件的市场快照

图13、预计终端射频前端的市场规模年均增长13%

用于手机中的RFFE（射频前端）的总可用市场（TAM，total available market）是一个非常大的市场。虽然各方对手机射频前端的总可用市场（TAM，total available market）的确切组成，当前规模和增长率持不同意见，但他们都同意这个市场正在快速增长。从 2014-2015年，RFFE（射频前端）的TAM在90亿美元范围内。而一些消息来源显示，RFFE（射频前端）的TAM在2017-2018年增长至约130亿美元范围，而更积极的预测，显示2015-2016年RFFE（射频前端）同比增长约为20％，导致2016年RFFE（射频前端）的TAM约为145亿美元。全球4G网络的持续部署和增长推动了这种增长。在RF前端TAM中，最大类别的组件是滤波器和各种预测表明在2016-2018年期间，滤波器将占整个RF前端TAM的50％至60％。与整体RFFE市场一样，LTE滤波器，特别是双工器，正在推动滤波器类别的持续增长。

图14、2G、3G手机的射频前端架构

图15、4G手机的射频前端架构

查看各代手机的射频前端（RFFE）物料清单（BoM）总成本的估算也很有意义。总体2G 手机的射频前端（RFFE）物料清单（BoM）总成本估算值在0.50美元至0.55美元范围内。而 3G-3.9G手机的射频前端BOM成本范围从3.75美元到4.00美元不等；而4G手机，取决于4G手机是归类为基本机型还是区域机型，或者是配备全球漫游功能机型的最新射频前端BOM估计值的范围分别为7.00-8.00美元，约10.50美元和从13.25美元至高达17.00美元不等。最近对射频前端的加权平均估计表明，跨iPhone 6的不同SKU售价的BOM成本为每部手机14.65美元。鉴于RF部件和模块成本通常每年同比会逐渐下降，2G手机和普通iPhone之间的射频前端（RFFE）总体BOM成本增加约28倍，3G手机和普通iPhone之间的射频前端（RFFE）总体BOM成本增加约3倍，这是前端复杂性和组件数量激增的有力标识，同时随之而来的是还有这些组件的性能需求在迅速增加。

图16、射频前端正在向集成化的方向发展

如前所述，今天在手机中采用的可调RF（射频）组件是由天线调谐应用所领导的。由于可调RF（射频）是整个射频前端（RFFE）市场中新兴的一部分，目前的市场分析师对此覆盖范围有限。最早发布的可调RF（射频）的市场预测是Oppenheimer在2013年初的预测，其是市场预测显示2015年天线调谐器的总可用市场（TAM，total available market）为7.72亿美元增长到2016年略超10亿美元。市场研究公司移动专家（Mobile Experts）最近的一份市场研究报告显示，2015年的天线调谐器的总可用市场（TAM，total available market）收入为1.12亿美元到2018年将达到2.7亿美元，如下图所示。

图17、天线调谐器的市场规模

而Strategic Analytics预测2015年天线调谐器的销售量约为7.5亿个单元，到2018年将增长到19亿个单元。与此同时，Yole Development对MEMS调谐器市场渗透率的估计是2015年总共1600万个单元到2017增长到约7700万个单元。

图18、手机终端集成解决方案的关键发展节点

最后，根据泰勒（Taylor）的研究报告，2015年功率放大器（PA）的包络跟踪器的市场规模为2.51亿个单元，到2018年将增至10亿个单元。Yole预测从2017年开始销售基于MEMS的可调谐滤波器和功率放大器。

图19、滤波器和模组推动手机射频前端的发展

基于上面介绍的市场数据，很明显，采用可调射频器件技术的市场虽然在快速增长，但仍处于早期阶段。与此同时，整个射频前端的总可用市场（TAM，total available market）仍从其近似90亿美元的基础中大幅增长，这创造了巨大的机会和对快速创新和发展的需求。下图提供了1998年至2012年间14年期间手机体系结构的一些主要创新的图形总结。虽然手机取得了令人印象深刻的成就，但需要以更快的速度取得更大进展，才能跟上4G甚至是5G的用户和网络的需求。

图20、手机电路中器件的典型布局

图21、手机电路中器件的典型布局

来源：Cloudioe

（完）

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