射頻前端模塊（RFFEM：Radio Frequency Front End Module）是手機(jī)通信系統(tǒng)的核心組件，對(duì)它的理解要從兩方面考慮：一是必要性，是連接通信收發(fā)芯片（transceiver）和天線的必經(jīng)通路；二是重要性，它的性能直接決定了移動(dòng)終端可以支持的通信模式，以及接收信號(hào)強(qiáng)度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗(yàn)。
如圖1所示，射頻前端芯片包括功率放大器（PA：Power Amplifier），天線開(kāi)關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等。
簡(jiǎn)述PA、Switch、Filter、Duplexer和Diplexer
1、功率放大器（PA）
PA直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G前向兼容，以及由此帶來(lái)的頻段的增加而增加，以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆，StrategyAnalytics預(yù)測(cè)稱5G時(shí)代手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。
就工藝材料來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在砷化鎵PA是主流，CMOS PA由于參數(shù)性能的影響，只用于低端市場(chǎng)。4G特別是例如高通等LTE cat16，4x20MHZ的載波聚合技術(shù)，對(duì)PA線性度高Q值得要求，會(huì)進(jìn)一步依賴砷化鎵PA。同時(shí)，據(jù)Qorvo預(yù)測(cè)，隨著5G的普及， 8GHz以下砷化鎵PA仍是主流，但8GHz以上氮化鎵有望在手機(jī)市場(chǎng)成為主力。
射頻前端功能組件圍繞PA芯片規(guī)劃、集成和演化，形成獨(dú)立于主芯片的前端芯片組。隨著無(wú)線通訊協(xié)議的復(fù)雜化及射頻前端芯片規(guī)劃的不斷演進(jìn)， PA規(guī)劃廠商往往將開(kāi)關(guān)或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個(gè)芯片封裝中，形成多種功能組合。根據(jù)實(shí)際情況，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多頻PA）等多種復(fù)合功能的PA芯片類型。
2、濾波器（Filter）/雙工器（Duplexer）
RF濾波器包括了SAW（聲表面濾波器）、BAW（體聲波濾波器）、MEMS濾波器、IPD（Integrated Passive Devices）等，而雙工器是包含Rx和Tx濾波器。SAW、BAW濾波器的性能（插入損耗低、Q 值高）是現(xiàn)在手機(jī)使用的主流濾波器。SAW 運(yùn)用上限頻率為2.5GHz~3GHz，BAW運(yùn)用頻率在 2.0GHz 以上。
對(duì)SAW來(lái)說(shuō)，技術(shù)趨勢(shì)是小型片式化、高頻寬帶化、降低插入損耗。采用更小尺寸，包括倒裝（flip chip packaging）和WLP（晶圓級(jí)封裝）、WLCSP（Wafer Level Chip ScalePackaging）技術(shù)正在運(yùn)用，同時(shí)更高通帶率、High isolation，High selectivity以及更低價(jià)格。
與 SAW 相比，BAW性能更好，成本也更高，但是當(dāng)頻段越來(lái)越多，甚至開(kāi)始運(yùn)用載波聚合的時(shí)候，就必須得用BAW技術(shù)才能搞定頻段間的相互干擾問(wèn)題。BAW所需的制造工藝步驟是 SAW 的10倍，但因它們是在更大晶圓上制造的，每片晶圓產(chǎn)出的 BAW 器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于 SAW。隨著技術(shù)的演進(jìn)， BAW可能會(huì)逐步替代SAW。
從集成角度，濾波器/雙工器除了與PA集成外，也會(huì)考慮與開(kāi)關(guān)的集成，如圖所示。
3、天線/開(kāi)關(guān)（Antenna/Switch）
天線是在手機(jī)射頻前端方面，我國(guó)具有最大自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)域。MIMO技術(shù)的使用普及為天線帶來(lái)巨大增量市場(chǎng)，估計(jì)到2020年，MIMO64x8將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，即基站端采用64根天線，手機(jī)采用8根天線。現(xiàn)在市場(chǎng)上多數(shù)手機(jī)僅僅支持MIMO 2x2技術(shù)，手機(jī)天線數(shù)量需要增3倍。5G將引入高頻率頻段，天線的規(guī)劃方案將由現(xiàn)有的單體天線改為陣列天線，新型磁性材料及LTCC集成技術(shù)將是5G天線的核心技術(shù)。
在調(diào)諧及開(kāi)關(guān)方面，需要特別強(qiáng)調(diào)的是MEMS開(kāi)關(guān)的使用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS調(diào)諧及開(kāi)關(guān)技術(shù)，其第一代射頻MEMS天線調(diào)諧器產(chǎn)品，已經(jīng)被各種智能手機(jī)采用。
除通信系統(tǒng)以外，手持設(shè)備中的無(wú)線連接系統(tǒng)（Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等）對(duì)射頻前端芯片也有較強(qiáng)的需要，如圖2所示。
從“五模十七頻”說(shuō)起，回溯2G到4G手機(jī)頻段發(fā)展
在4G普及的過(guò)程中，“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念成為高端手機(jī)芯片的重要標(biāo)志，也成為手機(jī)廠商重要的宣傳熱點(diǎn)。這并非是簡(jiǎn)單的營(yíng)銷噱頭，而體現(xiàn)了智能手機(jī)兼容不一樣通信制式的能力，是手機(jī)通信性能的核心競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)。
在過(guò)去的十年間，手機(jī)通信行業(yè)經(jīng)歷了從2G（GSM/CDMA）、2.5G（Edge）到3G（WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA），再到4G（FDD-LTE/TD-LTE）兩次重大產(chǎn)業(yè)升級(jí)。伴隨4G時(shí)代而來(lái)的是手機(jī)運(yùn)用頻段的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，圖3給出了到現(xiàn)在為止3GPP公布的E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access，演進(jìn)的陸地?zé)o線接口）所有的頻段分布：
其中，GSM運(yùn)用的頻段為Band 2/3/5/8，W-CDMA運(yùn)用的頻段為Band 1/2/5，TD-SCDMA運(yùn)用的頻段為Band 34/38，TD-LTE運(yùn)用的頻段為Band 34/38/39/40/41，F(xiàn)DD-LTE運(yùn)用的頻段為Band 1/3/4/7/17/20。
通常來(lái)說(shuō)，4G手機(jī)必須兼容2G和3G，同時(shí)，由于全球分配的LTE頻譜眾多而且離散，為滿足國(guó)際漫游的需要，手機(jī)終端需要支持更多的頻段，從而催生了“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念，具備這種功能的手機(jī)真正可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)在手，走遍全球”。
2G到4G，射頻前端芯片數(shù)量和價(jià)值均顯著增長(zhǎng)
機(jī)芯片向多模方向發(fā)展以及支持頻段數(shù)量指數(shù)性增加是手機(jī)射頻前端模塊數(shù)量快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)原因。觀察2G到4G射頻前端搞定方案的三幅示意圖，可以形成兩點(diǎn)直觀感受：1，射頻前端芯片數(shù)量不斷增長(zhǎng)；2，射頻前端系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提升。
圖4是2G功能手機(jī)（Feature Phone）的典型射頻前端搞定方案，主要的射頻前端芯片有：1個(gè)功率放大器模塊（PA），2個(gè)發(fā)射低通濾波器（LPF），2個(gè)接收濾波器（Saw Filter），1個(gè)SP6T開(kāi)關(guān)。其中，功率放大器、LPF Filter和SP6T Switch被集成到一顆PA Module里。
圖5是3G手機(jī)（WCDMA）的典型射頻前端搞定方案，主要的射頻前端芯片在2G方案的基礎(chǔ)上，增加了2組PA Module和4組雙工器（Duplexer）。
圖6是4G LTE手機(jī)典型射頻前端搞定方案，支持“五模十二頻”，可以看到，在4G時(shí)代，射頻前端芯片不僅在數(shù)量上產(chǎn)生指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在規(guī)劃復(fù)雜度上更是大大提升。主要的射頻前端芯片有：1個(gè)集成頻段選擇開(kāi)關(guān)的多模功率放大器（MMPA），4個(gè)PA Module，3個(gè)Duplexer/Multiplexer，6個(gè)接收/發(fā)射Filter，1個(gè)用于TD-LTE模式的S1P2開(kāi)關(guān)，分別用于高頻、低頻和分集電路的3個(gè)天線開(kāi)關(guān)模塊，1個(gè)接收分集濾波器。
表1整理了2G至4G射頻前端搞定方案中器件的數(shù)量，可以看到，4G方案的射頻前端芯片數(shù)量相比2G方案和3G方案有了顯著的增長(zhǎng)。印證了我們對(duì)手機(jī)射頻前端芯片的數(shù)量隨著支持頻段數(shù)量的增加而指數(shù)級(jí)遞增的推論。
從更為直觀的角度觀察，圖7給出了手機(jī)射頻前端模塊從2G到4G演進(jìn)過(guò)程中價(jià)格和出貨量的變化數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，高端4G智能手機(jī)中射頻前端模塊的價(jià)格合計(jì)已經(jīng)達(dá)到16.25美元，中高端4G產(chǎn)品也有7.25美元。相比2G手機(jī)的0.80美元和3G手機(jī)的3.25美元，射頻前端模塊的單位產(chǎn)值有了幾倍、幾十倍的提升，并且，隨著4G通信網(wǎng)絡(luò)滲透率的不斷提升，高端4G手機(jī)的出貨量依然在不斷攀升中。
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