专栏名称: 王莉看科技
想了解人工智能、机器人、VR虚拟现实、无人驾驶、量子技术、纳米材料等各类新科技和黑科技吗?想在一二级市场成功投资科技公司吗?请关注王莉看科技!
目录
相关文章推荐
新浪科技  ·  【#国庆假期国内出游7.65亿人次#假期你出 ... ·  2 天前  
新浪科技  ·  【#特斯拉或2026年推出四款新电池#】10 ... ·  4 天前  
新浪科技  ·  【#12306车票候补攻略##你抢到返程的票 ... ·  4 天前  
51好读  ›  专栏  ›  王莉看科技

射频器件变革,只为更好的通讯体验【电子王莉杨明辉团队】

王莉看科技  · 公众号  · 科技媒体  · 2017-09-01 17:22

正文

从2G、3G、4G再到5G,对射频器件的要求越来越高

  从移动网络的角度看,2G的GSM,3G的WCDMA,再到4G的LTE-Advanced,每一代的更新换代都带来新的通讯协议,并且复杂程度也以指数倍提升,对手机内的射频系统要求也更高、更严格。


   在带宽方面,2G信道带宽为200kHz;3G为一般为5MHz左右;4G中的LTE-Advanced协议拥有带宽为100MHz。更高的带宽带了更快的速度,但是带宽目前作为稀缺资源,加上各种其他专用通信带宽的占用(如军用,民航通信等专用网络),为避开干扰各个频谱间还需空出一定带宽进行隔离,手机通信的可用带宽则是少之又少。各方想方设法节省频谱资源,如4G所用的载波聚合(CA)技术,它可以使2-5个LTE中的成员载波(带宽小,通常为20M)聚合在一起,实现最大100MHz的传输带宽。还如正交频分复用技术(OFDM),它将信道分成若干正交子信道,将通信信号分成多组,同时并行传输在各个子信道中,大大节省了带宽利用。除此之外还有MIMO等技术,这些技术的实施也对手机射频器件的性能还有参数提出了更高的要求。


2. 天线越来越多,越来越难,5G天线更是发生质变

天线是用于接收和发射电磁波的元器件,没有天线就没有无线通信,因此天线是手机等终端的核心部件。由于天线决定通信性能,关系到设备的核心性能、与客户体验密切相关,在终端整机设计阶段时便与整机厂同步研发设计。


无线通信需求越来越多,天线数量也越来越多,未来会更多

全球移动终端天线行业受无线通信需求越来越多市场空间持续高速成长。2010 年全球移动终端天线市场规模约为28.47 亿支,2012 年全球移动终端天线市场容量已超过50 亿支,其中,手机天线市场占比约为76.12%,市场规模约为10 亿美金,由于LDS 天线取代FPC天线导致天线单价大幅提升以及单机天线使用量/移动互联终端越来越多,市场规模仍在不断扩大,2014 年,随着4G 爆发,手机单机天线价值量提升至1 美金左右,按照每年20亿部手机出货,对应的手机天线市场空间已经变成20 亿美金;未来5G 到来,天线的数量将更多、难度更大,陈列天线将成为5G 时代标配,预计单机价值量将提升至8 美金以上,而且,阵列天线将成为5G 射频模块中的重要产品卡位。

为了达到更好的无线通信、通话体验,天线的单机配置量大幅提升,尤其是手机应用。用户体验决定了人们对移动互联的需求日益增多,除了2G+3G、4G 通信外,蓝牙、WiFi、GPS、手机电视、收音机甚至NFC 移动支付功能都开始成为单机标配,以上的任何一个移动互联功能都需要对应一支天线,由此,单机的天线配置量不断提升。


天线越来越难做,技术壁垒越来越高

  由于手机中的射频信号通道越来越拥挤,电话已经从双频向三频甚至多频多模快速发展,此外,手机还需要处理来自外围无线设备的各种信号,如蓝牙、Wi-Fi和GPS等,而随着WiMAX和LTE(4G)的加入,天线的复杂度越来越高,预计未来将覆盖5-6个甚至更高频段,所有这些信号工作在不同的带宽,而且都需要接入天线,并且取得最优的性能和较轻薄较集成化的外形尺寸,设计测试及工艺难度越来越高。5G及大数据无线传输时代到来更是对天线产业带来了颠覆性的挑战,行业的技术壁垒越来越高。

  移动终端天线最初主要应用于车载电话、无线寻呼等专业领域,早期天线普遍置于移动终端机壳外顶部,带宽窄、不美观、易折断。随着天线技术不断提升及用户对整体外形要求提升,天线已经从外置转向内置天线,并且,随着下游整机厂商对天线低互扰、宽频段、高效率等技术要求越来越高,天线行业不断升级。


  早期的内置天线主要是金属弹片加塑胶支架的结构,多是两维手工设计、测试及制造,当时金属弹片天线单价在3-5元;后来由于精密度要求提升,金属弹片替换为FPC材质,但天线依然是两维设计制造,目前其平均单价为1-2元。再后来,随着LTE(4G)的加入,天线的复杂度将越来越高,覆盖5-6个甚至更高频段,手机中的射频信号通道越来越拥挤,此外,手机还需要处理来自外围无线设备的各种信号,如蓝牙、Wi-Fi和GPS等,所有这些信号需要工作在不同的带宽,而且都需要接入天线,并且取得最优的性能和较轻薄较集成化的外形尺寸,设计测试及工艺难度越来越高。

  要实现4G所必需的多天线技术,在多频多模的要求下,天线外形从早期的两维变成三维,天线设计必须实现电脑自动化设计,而对制造的精密度要求也越来越高,早期的FPC、弹片等手工设计、测试和制造的模式已不适用,全自动化模式成为主流,而在全自动化模式中,三维制造精度最高的就是LDS工艺,可以说,LDS工艺是4G终端天线可实现的主要工艺。


5G时代,阵列天线出鞘

  5G时代,区域越来越密集,对容量、耗能和业务的需求越来越高,在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线,较4G系统中的4(或8)根天线数增加一个量级以上,可以带来更多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统(Large Scale Antenna System,或称为Massive MIMO)。

  大规模天线系统(Massive MIMO)意味着在发射端和接收端分别使用大规模发射天线和接收天线阵列,使信号通过发射端与接收端的大规模天线阵列传送和接收。由此可以带来三点通信好处:一是大幅度提高网络容量,用户分块使用天线,一部分天线给A用户,一部分天线给B用户。二是由于一堆天线同时发力,使得每根天线只需以小功率发射信号,从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器,减少了硬件成本。三是大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。


  手机端为了获得上行链路信息,需向基站发送导频,而导频数量总是有限的,这样不可避免地需要在不同小区复用,从而会导致导频干扰。特别当天线数目变多的时候,这种干扰发生的情况越多。所以手机端会改用阵列天线。

  手机端或其他接收端的阵列天线关键在于相位控制和物理尺寸。阵列天线需要相位控制来决定增益的方向,而对高频通信来说,相位控制是极其困难的事项。阵列天线的尺寸与波长、基材材料相关。5G通信的波长将在毫米级,可以多个毫米波天线集成到手机上,实现毫米波频段的波束成形;天线的基材也寻找对相应频段吸收效应好的射频材料。一些厂商已经提出将射频天线集成到芯片里面的想法。总之,材料能力至关重要。


3. 5G时代,射频前端器件大放异彩

  在智能手机射频前端系统中,射频前端包括SAW滤波器、双工器(Duplexer)、低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)、功放(Power Amplifier)、开关(Switch)等器件。SAW滤波器负责TDD系统接收通道的射频信号滤波,双工器负责FDD系统的双工切换以及接收/发送通道的射频信号滤波;功放负责发射通道的射频信号放大;开关负责接收通道和发射通道之间的相互转换;天线负责射频信号和电磁信号之间的互相转换。


射频前端之滤波器:SAW/BAW高性能滤波器需求加速

  在现代通信系统中,为了抑制外界干扰信号对终端接收信号灵敏度的影响,同时抑制发射通路射频信号的带外干扰,通常需要在射频前端的接收通道和发射通道上分别配置SAW滤波器和低通滤波器,同时需要配置双工器来解决射频前端接收通道和发射通道的滤波问题。

  在目前的通讯协议中,不同频带间的频率差越来越小,因此需要非常好选择性,让通带内的信号通过并阻挡通带外的信号。Q越大,则滤波器可以实现越窄的通带带宽,也就是说可以实现较好的选择性。除了品质因数Q之外,插入损耗也是重要参数。插入损耗是指通带信号被滤波器的衰减,即信号功率损耗。插入损耗有1dB,则信号功率被衰减20%;当插入损耗到达3dB时,则信号功率被衰减了50%。而在4G时代,信号功率放大并不简单,低插入损耗对射频信号的处理非常重要。正式因为这些特性,SAW/BAW滤波器凭借优良频带选择性、高Q值、低插入损耗等特性成为射频滤波器的主流技术。


  SAW滤波器集低插入损耗和良好的抑制性能于一身,不仅可实现宽带宽,其体积还比传统的腔体甚至陶瓷滤波器小得多。但SAW滤波器也有局限性,一般只适用于1.5GHz以下的应用。另外它也易受温度变化的影响,当温度升高时,其基片材料的刚度趋于变小、声速也降低。高于1.5GHz时,TC-SAW和BAW滤波器则更具性能优势。BAW滤波器的尺寸还随频率升高而缩小,这使得它非常适合要求非常苛刻的 3G、4G以及5G应用。即便在高宽带设计中,BAW对温度变化也没有那么敏感,同时它还具有极低的插入损耗和非常陡峭的滤波器边缘。

  

仅手机用SAW/BAW滤波器市场规模就达百亿级美元,市场空间广阔。全球联网设备增多,射频前端系统需求量增多,滤波器的需求量自然增多;射频频段增多,滤波器的需求量也自然增多。根据Triquent的预测,进入4G时代,单部手机射频器件价值从3G终端的3.75美金提升至7.5美金,支持全球漫游的终端设备ASP甚至达到了12.75美金。与此同时,我们注意到,滤波器在射频器件扮演的重要性越来越强,滤波器的价值占比也从3G终端的33%提升到全网通LTE终端的57%。到5G时代,滤波器的应用量将进一步增加(特别是BAW滤波器),单台手机的滤波器价值将达到10美元以上。

根据IDC数据,2016年全球智能机销售总量为14.7亿部,2017年全球手机出货量预计增长4.2%,达到15.3亿部,到2021年将实现17.7亿的出货量。目前,智能手机的频段以3G、4G为主,预计2018年之后将开始逐步支持5G网络。这里,我们假设2018年全球智能手机出货量16亿部,每台手机所用滤波器(SAW/BAW滤波器)平均按照7美元估算,预计全球智能手机用滤波器(SAW/BAW滤波器)市场达到112亿美元。未来5G手机普及之后滤波器数量又将进一步增加,会为这一市场带来新的一轮高增长,Technavio也在研究报告中指出,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。

  日美垄断SAW/BAW滤波器,中国厂商正在追赶。SAW滤波器主要供应商为Murata、TDK、太阳诱电等几家日本厂商,而BAW滤波器则为Avago (收购Broadcom)以及Qorvo占据几乎全球超过95%以上份额。在射频前端器件厂商中,各家厂商在不同细分领域的优势不尽相同,Murata在SAW领域优势明显,Avago在BAW领域优势明显。与国外厂商比较,我国声表技术大幅落后。我国从事声表滤波器的公司大约还有10家左右,有一半从事军品滤波器,一半从事民品滤波器。而在手机用声表射频滤波器有突破主要是中电26所、德清华蓥(中电55所)、无锡好达三家。国内的信维通信依托射频材料,布局射频前端,有望成为国内引领者。


射频前端之功率放大器:用量越来越多

  把发射机的信号功率放大到足够大,是射频系统中的重要部分。功率放大器(PA)是手机射频发射机的关键模块,噪声系数低放大能力强。PA把发射机的信号功率放大到足够大(如20dBm),才能满足通讯协议的要求。PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量,甚至待机时间,是整个射频系统中除基带外最重要的部分。

  智能手机里面PA的数量随着2G、3G、4G、5G前向兼容以及由此带来的频段的增加而增加,4G多模多频手机所需的PA芯片增至5-7颗,Strategy Analytics预测,5G时代手机内的PA或多达16颗之多。


射频前端之低噪声放大器

  低噪声放大器(LNA)是手机射频接收机的关键模块,宽频带低插入损耗,小信号的放大,大信号容易饱和,它决定了整个接收机的灵敏度。评估LNA,主要从三个主要参数查看:噪声系数(NF)、增益和线性度。NF描述了附加噪声的贡献的信号链中的放大器的数量。增益描述了信号放大的级别。线性度反映了信号放大的准确性。