最近十幾年中，射頻前端方案快速演進。「模組化」是射頻前端演進的重要方向。

射頻前端的「模組化」究竟是什麼， 它是怎麼來的，又有什麼挑戰？

帶著以上問題，本文對射頻前端模組的發展過程做一個梳理，對射頻前端產品模組化進程中的挑戰和未來可能的演進做一個討論。

01.

射頻前端的模組化

是什麼？

射頻前端是指天線後，收發機之前的部分。射頻前端主要有PA（功率放大器）、Switch（開關）、LNA（低噪聲放大器）及Filter（濾波器）構成。

射頻前端的模組化方案（Integrated Solution）與分立方案（Discrete Solution）相對應。發射通路中的模組化是指將PA與Switch及濾波器（或雙工器）做集成，構成PAMiD等方案；接收通路的模組化是指將接收LNA和開關，與接收濾波器集成，構成L-FEM等方案。模組化方案與分立方案的區別如下圖所示。

圖：分立方案（a）與模組方案（b）實現的射頻前端系統

根據模組內集成器件的不同，射頻前端模組也有不同的名稱。常見的模組名稱及集成的器件如下表所示。

表：不同射頻前端簡寫及集成子模組

在3G及4G的早期時代，手機需要覆蓋的頻段不多，射頻前端一般採用分立方案。到了4G多頻多模時代，手機需要眾多器件才能滿足全球頻段的支持需求，射頻前端也變的越來越複雜；同時，分立方案在一定程度上無法滿足高集成度、高性能的需求，集成模組方案得到了規模化採用。目前，iPhone中已經全面採用模組化方案，根據拆機分析網站eWisetech的拆機分析，在2020年至2021年華為、小米、OPPO、vivo、榮耀等多個廠商發佈的手機中，處於1500至2000人民幣價位帶的多款手機已採用模組化方案 [1]。

02.

5G射頻前端模組的前世

2000-2009年：

先驅者的嘗試，PAMiD萌芽的10年

射頻前模組方案中，最具代表性的就是發射通路的PAMiD模組。PAMiD是PAModule integrated with Duplexer的縮寫，早期也被稱為PAD，是集成了PA、開關與濾波器的模組。

最早的PAMiD可追溯到2000年初，兩家先驅型射頻前端公司Triquint及Agilent看到集成模組化帶來高集成、高性能及低成本優勢，開始做集成模組化的嘗試，兩家公司均實現了開創性的工作。

Triquint是當時領先的CDMA射頻前端供應商，在併購了濾波器廠商Sawtek後，Li, P., Souchuns, C.,和Henderson, G.於2001年左右開始模組化產品TQM71312的研發。2003年，Microwave Journal 報道了該產品的工作，指出模組化設計將帶來高性能、高集成度、小尺寸及高易用性，取得了40%的平均電流降低 [2]。這是行業內第一個公開發布和報道的集成模組產品，在後續行業綜述中，這項工作被引用為集成模組產品的開端。

圖：（a）Triquint於2003推出的模組產品TQM71312

（b）Triquint對其模組產品的說明

在報道中，Triquint的集成模組產品系列命名是Tritium^TM。功不唐捐，先驅者的付出並沒有白費。蘋果公司在2008年推出的首款支持3G的iPhone手機iPhone 3G中，首次採用了模組方案。而iPhone 3G中用於支持3G信號的射頻前端就是Triquint Tritium^TMIII系列模組晶片[4]。Triquint2014年與RFMD公司合併成立Qorvo公司，Triquint在集成模組的優勢，在Qorvo時代依然延續。

圖：iPhone 3G所採用的Triquint PAMiD模組

值得一提的是，當年Triquint參與業界首款開創性集成模組的3名設計人員中，有2位今天依然活躍在業界一線，引領和推動著行業發展，對工程師來講射頻行業實在是一個事業常青的領域。

關注到PAMiD的另外一家公司是Agilent。Agilent是有悠久歷史和傳承的射頻前端廠商，源於HP。Agilent於2001年開始實現FBAR濾波器的量產，到了2002年，實現了千萬級出貨 [5]，將自己的射頻PA產品與濾波器產品做整合變成了順理成章的選擇。AFEM-7731 是Agilent於2005年推出的CDMA PAD產品。與Triquint公司的TQM71312類似，AFEM-7731內部集成一路CDMA PA及一個雙工器。得益於FBAR的低插損，Agilent表示AFEM-7731可以取得優秀的線性和效率性能 [6]。

圖：Agilent於2005年推出的

CDMA集成模組產品AFEM-7731

或許是看到射頻前端巨大的發展前景，2005年12月12日，Agilent的射頻前端部分從Agilent獨立出來，成立新公司Avago，成為當時最大的非上市獨立半導體公司，並於2009年上市。2016年，Avago與Broadcom合併，新公司更名為Broadcom。

儘管Avago具有FBAR技術帶來的濾波器性能優勢，但在2000年初，它的射頻功率放大器處於弱勢，集成模組產品的進展並不盡如人意。直到2010年左右，基於新工藝和新功率合成架構的射頻功率放大器獲得性能優勢，進而帶動了集成模組產品的成功。2012年起，Avago在PAMiD的產品及之後的Broadcom公司的射頻前端模組產品，被大量應用於iPhone系列手機中。

2010-2019：

國際廠商推動，模組方案主流化的10年

蘋果的引領

2010年，蘋果推出iPhone4手機，單款機型銷量超過5,000萬部，是當時最成功的iPhone手機。從2010年開始，蘋果公司開始對智慧手機的全面引領。在iPhone4手機中，依然採用Triquint Tritium^TM系列PAMiD方案實現3G射頻前端。

在2012年發佈的首款支持4G的iPhone手機iPhone5中，iPhone採用了Triquint、Avago及Skyworks的模組化產品 [7]。蘋果繼續堅定的採用模組化方案。

圖：iPhone5 (A1429型號)射頻前端方案，採用模組化方案進行設計

在這一時期射頻前端供應商在模組化也進行了堅決的投入。為了實現模組化中模組的優勢整合，一系列射頻前端公司也進行了合併：

• 2014年，RFMD宣佈與Triquint合併，成為Qorvo公司。

• 2014年，Skyworks與松下成立合資公司，2016年Skyworks將合資公司全資收入旗下。

• 2017年，高通宣佈與TDK成立合資公司RF360，2019年高通將合資公司合資收入旗下。

圖：射頻前端公司的整合

除了在蘋果手機中使用的定製化射頻前端模組方案，各個射頻前端供應商開始將模組化產品推向公開市場。Skyworks在2014年推出SkyOne®方案，Qorvo也在2014年推出RF Fusion^TM方案。Skyworks在對SkyOne方案的介紹中指出：「SkyOne® 是首款將多頻功率放大器及多擲開關同所有相關濾波、雙工通訊及控制功能整合在一個單一、超集成封裝當中的半導體設備，所用空間還不到行業最先進技術的一半」[8]。

圖：Skyworks與Qorvo向公開市場推出PAMiD方案

FEMiD：模組化的另外一種選擇

雖然PAMiD模組化方案有諸多的性能優勢，但其供應劣勢也相對明顯：廠商必須要同時掌握有源（PA及LNA，Switch）及無源（SAW、BAW或FBAR）等能力，才有辦法設計出PAMiD模組。而同時掌握這些資源的廠商只有Skyworks、Qorvo、Broadcom及Qualcomm等少數具有完整資源的廠商。

於是，華為、三星等終端公司著手推動FEMiD（Front-end Module integrated with Duplexer）方案。FEMiD是將天線開關及濾波器整合為一個模組，交由濾波器公司提供；PA依然採用分立方案，由PA公司提供。這種方案有效的發揮了無源公司與有源公司的特長。華為、三星等終端也因此擺脫了對PAMiD廠商的絕對依賴。

圖：PAMiD與FEMiD方案對比

（a）PAMiD方案 （b）FEMiD方案

2016年，PAMiD與FEMiD的主要供應商如下。Broadcom、Skyworks及Qorvo是主要的PAMiD供應商，村田和RF360是主要的FEMiD供應商[7]。

圖：PAMiD與FEMiD主要供應商

03.

5G射頻前端模組的今生

Phase6/7系列

PAMiD方案的歸一

不過，與iPhone中模組化方案的絕對主流相比，早期公開市場的模組化方案推廣並不順利。原因是Skyworks與Qorvo各自定義，所推廣的方案並不兼容，在技術上和供應上都給平臺適配和客戶使用造成困擾。

為了解決方案統一的問題，MTK平臺、國內頭部手機廠商及Skyworks/Qorvo射頻前端廠商聯合發起Phase6系列射頻前端集成方案定義。在Phase6方案中，Low Band (包括2G) 與Mid/HighBand兩顆PAMiD構成完整發射方案。

圖：Phase6與Phase6L方案的定義

由於方案歸一， 並且終端廠商、平臺廠商及晶片廠商聯合參與定義，Phase6系列方案自2016年推出後，得到華為、小米、OPPO及vivo等手機廠商認可。在對於性能及集成度有高要求的高端手機中得到使用，模組化方案得到了普及。5G到來之後，Phase6系列方案演進至Phase7/7L，依然維持PAMiD模組化定義。

2020至之後：

國產開始形成突破

隨著2019年底運營商5G陸續商用，2020年5G元年正式開啟。5G到來之後，手機終端需要支持更多的頻段。並且5G定義了3GHz以上，6GHz以下的超高頻（UHB，Ultra-High band）頻段，對射頻前端性能提出了更高要求。

經過兩年的方案迭代，5G方案已基本收斂。主要分為Phase7系列方案及Phase5N兩種方案。兩種方案在Sub-6GHz UHB新頻段部分方案相同，均為L-PAMiF集成模組方案；在Sub-3GHz頻段分別為PAMiD模組方案和Phase5N分立方案。

圖：5G手機射頻前端方案

Sub-6GHz UHB頻段L-PAMiF：國產已成熟商用

Sub-6GHz UHB頻段為5G新增頻段，頻率高、功率大，且增加SRS切換等複雜功能，集成LNA、PA、濾波器、收發開關及SRS開關的L-PAMiF成為主流選擇。

在Sub-6GHz UHB L-PAMiF產品中，國產廠商逐漸形成突破。2019年12月，在中國5G正式商用的2個月之後，慧智微n77/78/79雙頻L-PAMiF S55255-11量產，國產射頻前端廠商首次與國際廠商同時同質推出產品。S55255系列產品在2020及2021年陸續被國際頭部手機終端所採用。2020年，該產品獲得「中國芯」重大創新突破產品獎，2021年慧智微獲得GTI年度榮譽獎（2021 GTI Honorary Award）。

2021年，國產其他射頻前端廠商陸續推出UHB L-PAMiF產品，在未來演進中，國產UHB L-PAMiF產品會越來越有競爭力。

Sub-3GHz頻段：國產亟待突破

相比於Sub-6GHz，雖然Sub-3GHz模組頻率更低、功率更低，不需要複雜的SRS開關等，但由於Sub-3GHz頻段較多，需要集成的濾波器及雙工器更多，並且是SAW、BAW及FBAR等聲學濾波器，對濾波器資源的獲取、多頻段的系統設計能力提出了高的要求。

對於Sub-3GHz PAMiD/L-PAMiD模組產品設計，主要的挑戰有：

1. 全模組子電路的設計和量產能力

需要射頻前端廠商有模組內每個主要電路的成熟設計及產品化能力，如各頻段的PA、LNA及開關等，並且各子模組無性能短板。

2. 強大的系統設計能力

全集成模組本身構成一個複雜的系統，涉及到發射與接收之間隔離、各頻段之間的抑制及載波聚合的通路設計等等問題。射頻前端不再是一個單獨的功能模組，需要廠商有強大的系統分析與設計能力。

3. 小型化濾波器資源

小型化可集成的濾波器資源是模組設計的稀缺資源，目前在Sub-3GHz用到的主要是WLP（Wafer Level Package，晶圓級封裝）或CSP（Chip Scale Package，晶片級封裝）兩種封裝結構的濾波器。兩種濾波器的比較如下圖所示。WLP濾波器尺寸小、與模組內其他模組的設計中有優勢，是未來模組內濾波器的發展方向。

圖：WLP與CSP兩種封裝結構下的濾波器比較

以上能力的同時具備是設計Sub-3GHz 模組產品的必要條件，也是國內射頻前端廠商面臨的挑戰。在國內廠商對以上挑戰未完全實現突破的情況下，國內廠商在Sub-3GHz只能提供分立方案。目前Sub-3GHz集成與分立方案的比較如下：

圖：Sub-3GHz典型的模組方案與分立方案比較

雖然有諸多問題和挑戰，射頻前端模組仍是國內射頻前端廠商必須攻克的產品類別。慧智微在這個產品方向上較早進行了積累，並形成了系列成果。慧智微射頻前端的PA/LNA模組採用可重構架構，在模組產品設計中有以下優勢：

1. 集成度更高，晶圓更少，有助於兼容較大尺寸的濾波器。

2. 具有軟體調諧特性，有助於集成之後的二次適配。

3. 多代產品持續積累，經過驗證的封裝管控能力。

基於以上優勢，慧智微推出多款射頻模組產品。如：

• 在2019年12月份所推出的Sub-6GHzn77/78/79 5G雙頻L-PAMiF模組產品，是業界集成度最高的模組產品，產品在頭部客戶多款手機、物聯網終端使用。

• 針對物聯網市場，慧智微推出L/M/H Band小型化全頻段PAMiD模組 S55010-11，產品採用兼容於Phase6/7/7L Low-band PAMiD的6.0×7.6mm²的小尺寸pin腳設計，集成L/M/H 頻段，一顆物料可滿足Cat.1市場小型化和集成化需求。可大大減少調試時間，提升客戶產品上市速度（Time-to-Market）。

• 慧智微Phase7L/7LE L-PAMiD產品正在開發之中。

04.

文章結語

「模組化」是射頻前端演進的重要方向，在這個過程中，濾波器廠商與模組廠商都面臨巨大的挑戰和機遇。慧智微期待用技術創新解決模組化產品設計中的問題，為客戶帶來更優的射頻前端解決方案。

參考文獻

[1]. https://www.ewisetech.com

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[4]. https://www.ifixit.com/Teardown/iPhone+3G+

Teardown/600

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[9]. Qorvo Product Introduction, http://qorvo.com

[10]. Qualcomm Product Introduction, http://www.qualcomm.com

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[12]. SmarterMicro推出可重構全頻段多頻多模功率放大器, 簡化4G 手機設計. 中國積體電路, 23(11):2, 2014.

[13]. Li,P.,Peng, Y., and Li,Y.. Overview of development in reconfigurable multi-mode multi-band power amplifier design. In 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), pages 1–3. IEEE, 2019