手机射频前端模块化趋势

shuszhao

自从多模多频功放问世以来，一直都有人和笔者探讨射频前端开始了模块化趋势，慢慢走向了模块化设计主导的思路，射频工程师以后就没有工作要干了，所有工作都是芯片供应商来完成的。其实不然，今天我们就基于这个认识来谈谈移动终端射频前端模块化在产业链上的重要性以及笔者自己的一些见解。
1、射频前端模块化的前世今生
我们在六七年前做3G的时候，绝大多数项目都采用的是分立方案来进行设计。为什么那时候没有模块化设计思想呢？这就要拉起整个无线通讯发展的历史阶段去谈在每个特定时期产品对设计方案的需求不一样来讨论了。
我们以前经常背诵：3G包括，WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000和WiMAX。其实从这几种制式来看，做到现在的就剩下前三种了，前三种做的最多就剩下WCDMA了，我们就以WCDMA为例来说。WCDMA的频段当时只有Band1/2/3/4/5/8，最常用的只有Band1/2/5/8，大多数项目最多也就支持这四个频段，而且市面上最流行的就是传说中的3X3封装的PA，所有厂家的都是可以兼容的，如图1。再加上GSM四个频段就可以组成一个全球频段的手机了，加之当时大多数是feature phone，smart phone也是刚开始发展，所以给射频留下的发挥空间是非常大的，包括设计面积、天线性能等都没有现在那么高的要求，所以整个产业链都不会想到去把射频前端做成模块化的产品，可以想象一下，如果那时候就做一个模块化的产品的话，要么就是大卖发大财，要么就是没人用，因为那时候的技术真的不是什么门槛，那时候的射频前端四件套就是：功放PA、 双工器DXP、滤波器Filter和天线开关ASM，就和现在的WiFi一样了，如果模块化成功，我们就真的只需要做测试了。但是那时候很多厂家也有了射频前端模块化的概念了，图2就是将分立的中频PA和低频PA集成到一起，这样面积又可以节省很多，虽然这样集成没有大卖特卖，但是它标志着射频前端模块化的思想已经开始萌芽了。

                               
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图1、3X3 封装分立PA

                               
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图2、中频+低频双频PA

大概从2012年开始，LTE已经开始出现了，刚开始时，频段还是比较少的，就是把WCDMA那个几个频段升级到支持LTE，当然了，射频前端包括PA（LTE PA对3G PA进行了优化，提高了线性度，向下兼容的，可以支持3G）、双工器、滤波器和天线开关都把3G时候的继承了下来，那时候大家也还都没有想到LTE后来两年时间发展的很快了，其实那一年就是一个过渡阶段而已，但很可惜的是，那时候还没有像样的多模多频段PA出来。
到了2013年，LTE就开始突飞猛进的发展了，商用频段发疯式的增加，我们在开发的时候要问每个厂家是否有一大堆频段的PA，很庆幸的是，那时候大多数频段的分立PA都是有的，大多数频段的双工器也是有的，同时又鼓舞人心的是出现了多模多频段PA，with GIPO controller，这也算是一个很大程度上的变革了，那一年，是那么依稀可见的回忆在脑海中，那一年真正的开始了LTE大规模商用。如3就是多模多频PA，可以说这种结构的PA生命周期还没有结束，我们都还在大规模的应用着，只不过是将过去的GPIO controller换成了一个神奇而且恰到好处出现的MIPI controller，在控制方式上又有了多样性。MIPI的原理和作用在此就不用赘述了，度娘恭候你的请教。

                               
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图3、LTE阶段多模多频PA

大概从2015年开始，很多射频前端模块厂商开始推出了将功放、双工器、滤波器、天线开关集成到一起的模块，工程师在开发产品时，只需要将MIPI寄存器配置成功就可以驱动起整个模块了，也不再需要频段by频段的去做硬件匹配调试了，从这方面来看，射频前端开发或许已经走进了一个新时代，确实能够发现，包括现在，或许再包括往后的几年内，这种模块化的设计依然是非常流行的。图4就是所谓all in one模块。现在大的手机厂家对中高端机型都使用了这种模块化设计方案，后面我们再举实例和大家分享。

                               
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图4、LTE阶段的射频前端模块

其实，总结起来，模块化射频前端方案设计的驱动力就是：LTE的发展带来多频段的需求，中高端机型的功能增多导致手机主板上射频前端布局面积越来越紧俏，模块化的设计方案可以缩短项目开发周期和减少开发过程中出现的问题。
2、射频前端模块的设计难点
如上面谈的，模块化的方案可以缩短项目开发周期和减少开发过程中遇到的各种各样的问题，如下：
第一，“车到山前必有路”已经行不通了。对市场需求的把握，其实这不仅仅是技术上的问题，说白了技术就是方案集成，相信有经验的厂家在技术上都可以把握的，比较难的就是，设计出来的射频前端模块是否能满足市场的需求，是否能满足客户的需求。比如，我们都知道大而全的东西是最好的，但是如果设计出来的一个模块是大而全的，把全球的频段需求都可以包含在内，这固然是最好的，但是势必这个模块的成本就会大大增加了，到了客户那里，或许人家不需要这么多的需求，或许人家按照区域去做，虽然你的产品可以满足客户需求，但是也会浪费很多没有需求内容，在这个行业竞争激烈和拼价格的时代，性价比势必就会降低很多。这只是一个例子，其实做模块化的东西要把握的方向特别多，风险也特别大，除非像果果和星星那样财大气粗的客户，定制定制再定制，做出来的东西就能卖出去，那样才是大家赢的阳光产业了。
第二，标准件和非标准件的设计。标准件的东西设计出来风险低，但是后来者也势必不能占有太大的市场，只能跟着别人后面喝喝稀饭而已；非标准件或许就不一样了，自己是第一个吃螃蟹的，如果做成了，大家都喜欢用，那就发财无可限量了，但是如果大家都不感冒，等待自己的就是一堆死灰了。说实话，高集成度的设计很难去做标准件的，因为每个厂家每种方案的设计思路和技术都是不一样的，这样在果果的机子上也是很显而易见的，果果的机子上大多数都是自己定制的，这样其实对供方和客户都是有好处的，可以降低产品的供货风险，也不会让供方有任何风险可以承担。
第三，模块设计的周期和上市时间的把握。集成度高的模块设计周期肯定相对于集成度低的设计周期要长，这就要求在设计初期就要透彻的了解上市窗口期内的动向，如果周期过长，没有赶上产品上市窗口期，那就意味着你已经被市场甩开了距离，再好的东西也只能在旁边看着别人发大财了。
曾经有同行再问，通信行业往后的出路到底是什么？其实，这个问题比较大，笔者认为分为狭义和广义的理解去回答可能更好一些。
狭义的通信，尤其是我们做无线通信的人，要么就是基站，要么就是手机，要么就是微波领域等等，每个领域有存在的理由，也有存在的生命周期。拿我们的移动终端领域来说，在2G时代，大家都在迷茫着下一代是什么？3G那时候在培训机构的广告语上很流行，其实这些人真的也很厉害，要么是行业内的，要么就是有行业利益的，他们很早都预测到了3G是一个潮流，3G技术当然也是一个挣钱的手段了，当然了，他们可能本身的就认为3G就是3G技术，而不理解3G里面还有那么多门门道道的；在3G做到后期的时候，大家都说4G还远着，3G已经这么快的速率到了，再加上HSPA和HSPA+技术，已经绰绰有余，然后我们那时候就是乡下人，或许根本不理解什么叫技术的发展，什么叫技术的革新。说实话，乔帮主为4G发展也做了很大的贡献，一个叫智能手机的东西从有了果果手机之后才发展壮大了，虽然之前也有只能手机问世。当然了，Android也是将智能手机普及于大众之中最大的功臣。智能手机的问世也将4G带到了一个新高度，现在大家可以说一机在手，万事不愁。前几年笔者还认为无现金消费怎么可能呢？我们传统的人们都喜欢将纸币装在棉衣口袋里才感觉是最安全的，但是到今天来看，我们out了，现在基本上带一个手机就能行遍天下，就连地摊旁边都会放一个二维码让你买单了。大家再去想想，我们下一代终端会是什么东西呢？其实每个技术的发展都是有着人们强大的需求欲望的做后盾的。大家还可以自己根据每个通信行业去狭义的分析下无线通信到底出路在哪里？
广义的无线通信就更多了，只要和我们可以说我们现在绝大部分行业都和无线通信有着千丝万缕的关系，相辅相成的存在着我们的生活中，所以这些都是通信行业的发展推力。说的有些远了，继续下文主题。
3、模块化设计对射频工程师的要求
回到本文主题，我们射频的模块化发展也在无线通信行业发展中起着无可替代的作用，还是回答刚开始很多同行问的几个问题：
第一，射频工程师的后路是什么？
问了这个问题的人都是真的想做事情的人，我们做技术的人都有一个通病就是技术做多了，就忘记了看外边的世界是什么样的。“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”就可以回答这个问题了。很多趋势的东西是很难由个人的意志而转移的，我们只能去接受现实，就和射频模块化趋势一样，我们要想我们有什么能做的？大多数射频工程师认为调试匹配就是工作，我们只能说调匹配是射频工程师的最最最基本的基本功而已，这就可以想到了，模块化的产品已经将调匹配这部分工作很大一部分给消灭了，我们剩下的工作就是要去理解如何去评估一个模块的选择，要如何去合适的选择一个模块，为什么果果手机会选择这个模块，为什么星星手机会选择那个模块，为什么这个模块集成度更高而且性能更好，为什么这个模块只是集成了一部分或者是个阉割版的？这些就是我们现在要回答的问题，回答这些问题要做的工作就是我们射频工程师要做的大部分工作了。
第二， 接第一点，我们怎么才能回答那些问题呢？就是我们应该去掌握哪些知识和技术？
很简单，在这里可以总结之前的《一个射频工程师的自我修养》的提纲了。基础很重要，当然了，很多具体的问题都是在基础的调试、测试等一线工作中才能看到并解决的；再者就是提高了，就是所讲的一名优秀的射频工程师，这个层次的射频工程师就是射频行业中比较吃香的人，也是基本上可以随意找到一个满意工作的人；再往上就是把握方向的系统级工程师的，前两个层次磨练下才有可能成为一个合格的系统工程师，只是有可能成为，或者很多年后还是一名射频工程师，这里没有歧视，只是每个人的分工不同而已。说到最后就是我们在模块化的产品开发中，最需要的就是系统工程师了，实际的评估结果基本就和产品最终的形态基本一致了，要想了解详细的，可以看看《一个射频工程师的自我修养》，再这里不再赘述。
4、模块化设计带来的优点
射频前端模块化趋势是有助推因素的，是有了需求才有这样的技术，而不是有这样的技术才有这样的需求的。在这里就简单说一下我们为什么需要射频前端模块化：
第一，终端小型化的趋势。现在终端的小型化，已经让我们没有办法再用PA加滤波器加开关的方式去进行设计了，起初当你很自信的想着我肯定能搞定时，往往事实总是带来沉重的打击和毫无还手余地的无奈，那无数个频段和CA组合总是让我们在忙乱中迷茫。下图是果果7的拆机图，你可以想象下我们能利用的主板到底有多大，尤其是射频电路：

                               
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图5、iPhone7 主板大小比例

第二，容易设计。随着LTE的发展，现在3GPP上定义的频段就有几十个，我们一般终端上要支持和全球模的频段也有十几个，再加上载波聚合技术和MIMO技术的实现，让射频前端设计复杂度直线上升，同时也出现了四工器，六功器，分频器等变态的器件，让射频链路上的器件可以达到五六种以上，也让链路预算有了很大的不确定性，这样就根本不会给我们考虑的时间，分离方案的实现可能性几乎为0，市场上的产品基本都是模块相互连接嵌套实现的，可以看到下图是市场上几款流行的旗舰机的模块化使用情况：

                               
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图6、三星S8射频前端布局

                               
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图7、华为P10射频前端布局

                               
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图8、iPhone7 射频前端布局

第三，高标准的量产一致性和低PPM。如第二点，如果用分立电路搭建复杂需求的射频电路，很难保证量产一致性的，在每个器件的PPM都要保证的前提下才能保证产品的低PPM，大家不妨可以自己估算一下是不是这样的；
第四，简化故障排查。射频前端模块化的产品会让射频工程很大程度上提高师处理故障的效率，不必去在复杂系统中用复杂低效的实验区一步一步去找问题，前提是模块本身已经经过各种产品的考验了。
第五，维修方便。射频问题一直是手机硬件中问题最多的一个专业，模块化的射频前端可以提高射频工程师做RMA分析的效率，同时也可以提高售后进行产品维修的效率并降低损坏率。
总之，射频前端模块化趋势已经到来，以后对我们射频工程师的考验也越来越多，这个行业还会有更大的发展前途。

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不错, 学习了