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行動RFFE射頻前端市場創新高,整合及系統化是5G關鍵

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科技產業資訊室 (iKnow) - 張小玫、項子庭 發表於 2017年9月18日
智慧型手機是現代最廣泛、最通用的裝置之一。在過去十年內,智慧型手機已經達到了廣大的普及,現在已然是與數位世界接軌的主要管道。在某些情況下,特別是發展中國家,智慧型手機可能是該使用者唯一擁有的電子產品。十年前,智慧型手機的總出貨量不到400萬支。時至今日,IHS Markit估計2017年之後每年將有超過15億支智慧型手機在全球市場流通販售。
 
目前市面上智慧型手機多講求其功能和配備,例如銀幕、相機、記憶體、處理效能、軟體等。然而,使智慧型手機之所以能「行動通信」的射頻前端(RF front-end, RFFE)(訊號收發器和天線之間的組件)的功能反而時常被忽略。RF性能會是行動寬頻體驗好壞與否的關鍵。

 
圖一、RFFE射頻前端於手機市場

自從LTE技術開始廣泛應用以來,RFFE持續支援越來越多不同頻段和空中界面(air interface)模式,同時在智慧型手機設計的部分,也協助克服了其他領域所設下的大小及成本限制。
 
就如同自2G到3G的技術轉變時提高了RFFE的複雜程度,從3G轉變到4G時,除了頻率的增加之外,隨著4×4 MIMO天線架構和載波聚合等的發展也使RFFE的複雜性呈倍數增長。同時,在競爭日益激烈的環境中,OEM ( Original Equipment Manufacturer)可能會將重點放在上述大多數使用者關注的功能上,並且在手機性能掛帥、比所有東西都還重要的此時,OEM對RF前端的興趣可能更為有限。
 
根據IHS Markit無線半導體競爭情報的統計,手機RFFE組件市場的價值在2010年迅速採用LTE技術之後,從43億美元增長至2017年的134億美元,年複合成長率(CAGR)超過17.7%。在這段時間內,RF組件的市場增長速度比半導體市場整體還要高出五倍。這正凸顯了RFFE日益增長的複雜性和重要性。
 
隨著市場進一步推向4G+和5G的深入發展,將探討頂尖RF及RF零組件所必備的關鍵技術特性。


 LTE發展推動了RF組件市場 
隨著提供服務的LTE頻帶數量增加,出現了像是載波聚合(Carrier Aggregation;CA)等技術使數據傳輸速率更高。載波聚合是把原本各自獨立的RF頻段整併,為設備提供更寬的頻寬和更快的下載上傳速度。該技術造就了LTE-Advanced,意即那些級別為LTE 4以上的設備。自使用Cat-4 LTE開始,設備將能以150 Mbps以上的速率傳輸數據。目前最新的數據機是Cat-16 LTE,具備約1Gbps的下行數據速率。明年,具Cat-18的裝置將能夠提供達1.2 Gbps的更快數據傳輸速率。為了能順利達到這樣的高速,手機等移動裝置不得不支援更多的收發路徑,額外的路徑也隨著4x4 MIMO的設計而變得更加複雜,且需要支援更多的載波聚合頻帶組合。隨著LTE Advanced進入LTE-Advanced Pro階段,載波聚合組合的數量呈指數級增長,2015年僅有200個CA組合,兩年後,該階段已設置超過1,000個頻帶組合。
 
圖二、進入LTE階段載波聚合數量成長

RF組件整合以限制SKU擴散
十年前,智慧型手機只要能支持五個頻段就能被稱之為「世界電話」(world phones),現在一般的LTE到可能的載波聚合組合已經有大約50個頻段。在過去幾年前,OEM廠商一次發表一個庫存管理單元(Stock Keeping Unit, SKU)的智慧型手機就已經是一項很大的挑戰,現今,廠商發表的大多數智慧型手機都有至少二至四種不一樣的款式以供給全球所有通路的需求。蘋果一直是唯一一家只發行高價位智慧型手機的廠商,曾藉由iPhone4S實現了全球發行單一SKU的成就,但特別是隨著LTE的發展,這極可能是史上唯一也是最後一次這樣大規模的單一SKU發行。4S的熱銷使得蘋果公司不得不把大部分心力用在相對較小頻段的3G技術上,然而,一旦蘋果公司跨足至LTE的領域,單一SKU將不再是其發展計畫的可能選項了。至2012年9月底,當時蘋果所發布的新機型iPhone 5有三種不同的型號,且每一種為不同的LTE頻段。智慧型手機的RF元件空間有限,且為了支援越來越多的頻段,這些組件必須相互整合成模組。此外,如功率放大器(power amplifiers,PA)的組件不僅得支援一組頻帶,還得支持多種模式。這些多模、多波段的PA 被RF開關,雙向器和濾波器等其他組件包圍,以創建整合RFFE模組。
 
圖三、RF組件佔RF總體之BOM成本比率

將早期LTE智慧型手機的RFFE與今日的旗艦型智慧型手機相比,現今組件整合所佔的比率比以往還來得多。例如,2012年三星的Galaxy SIII中僅有6%的主要RF組件被整合在模組內,而這些組件佔RFFE材料清單(bill of materials,BOM)成本的26%(不包括RF收發器);相較之下,在三星Galaxy S8 Plus內,模組內的組件就佔了RFFE BOM的87%。
 
其實,並不是所有的OEM都將採用與RF組件整合的方法,使用與否取決於智慧型手機的目標市場,他們也可能選擇混合使用離散和整合的RFFE產品。射頻供應商如Skyworks,Qorvo和Qualcomm提供各種級別的集成RF組件。對於專注在製造入門級、在地的、或特定營運商手機的OEM來說,他們可能會選擇使用多一些的離散RF組成設計。然而,即便是集中區域性的手機,也有更高程度的模組化。對於區域手機SKU,OEM可以利用PA和交換機的整合,和使用離散濾波器和雙工器。能同時切換和濾波的前端模組(Front-end modules,FEM)可以應用在分集路徑中,以便於載波聚合。為了接收各種FEM(s),大多數全球旗艦型智慧型手機的設計,OEM廠商正傾向主要用於發射和接收整合前端模組;其中一些設計能使智慧型手機同時覆蓋支援低、中、高的頻帶。一般來說,在其他類似設計和價格的智能手機中,RFFE的整合程度與RF的BOM成本之間存在著直接的關係。


RF模組化過程,濾波器成為新焦點
雖然智慧型手機中的組件變得越來越模組化,但每個單元中使用的濾波器數量預計會隨著時間的推移而上升。由手機支援的每個RF頻帶,可以存在兩個以上的濾波器晶片,因此,每個手機的濾波器(包含整合與其他形式)數量將隨著時間而持續增加。某些手機的單一型號就支援了30多個LTE頻段,於是單一個手機中可能就有高達70個以上的濾波器,特別是在高階智慧型手機的領域,這是一個將持續下去的趨勢。為了使手機能夠適應不斷增加的濾波器芯片數量,RF濾波器將需要與例如天線開關和功率放大器等其它功能零件一起進一步併入模組中。

 系統化專業技術:RF獲勝機會多於僅是組件整合 
由於現有的高階智慧型手機支援許多頻段和模式,因此RF供應商對於系統級專業知識的需求從未如此之高。最成功的RF供應商能將多元的產品組合,且具有從數位基頻到天線的系統級協同設計能力。這些供應商能夠滿足客戶最廣泛的需求。這些需求包括生產最節能的設備、同時在智慧型手機中提供最快、且平均一致的下載和上傳速度。此外,OEM廠商必須滿足行動網路運營商的需求,使其設備以盡可能高效率的方式與網絡進行交互。很少有供應商能夠通過其產品組合來適應整個RFFE功能,這就是只有少數供應商主導手機RF組件市場的主要原因。
 
目前智慧型手機市場上的整合RFFE設計,將會是未來幾年支援5G過渡期的基礎。隨著新無線電設計的實現和越來越多的軟體控制,RFFE將必須支持更廣泛的頻段。雖然在移動性上較少關注到高頻段,但RF頻率範圍仍將從700MHz-5GHz擴展到600MHz-60GHz。此外,可能還需進行更高及次數的調頻和更多的空中接口技術,這都將增加RF的複雜性。
 
5G的推行必將帶來的性能挑戰,不能只依賴組件整合來解決,更需要在系統層面以及RFFE內部進行解決。未來,RFFE必須針對系統級可調整性進行升級,通常將包括封包追蹤和天線調諧等技術,以符合設備使用者對性能、功率效率、和電池壽命的期望。(2422字;圖3)


參考資料:
Integration and Technology Innovation Provide Opportunity and Drive Mobile RF Front End to new Highs. HIS Markit, 2017/8/10.


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