如何卡住5G功能的脖子？一文读懂智能手机的射频模块

我们都知道，智能手机的体验取决于其搭载的SoC移动平台，后者又是由CPU、GPU、ISP、NPU和Modem（基带，又称Baseband）等单元构成。

如果问是谁在影响一款智能手机上网时的网速、延迟和稳定性？相信很多朋友的答案都是基带。

但是，基带却并非影响网络性能的唯一，射频+天线模块，也是让手机尽情网上冲浪的幕后功臣。

理论上讲，完整的射频模块包含“射频+天线” ，但为了便于理解我们还是将它们拆分为两个部分。如果你对手机的天线设计感兴趣，可参考《5G手机靠基带还不够！天线设计也得做手术！》这篇文章，本文我们则将目锁定在射频模块上。

先从华为手机谈起

去年华为推出了一系列新款4G手机，包括Mate 40 4G、Mate X2 4G和nova 8i（搭载骁龙662）等，相比5G版的首发价便宜了不少。

麒麟9000集成巴龙5000基带

看到这里，估计不少朋友会产生一个疑问——麒麟9000最大的特色就是集成5G基带，理论上应该可以原生支持5G ，那搭载它的新款手机为啥仅支持4G呢？难道把5G基带给“阉割”了？

再看一个奇怪的现象

如今市售的热门5G SoC中，除了骁龙865/骁龙870需要外挂骁龙X55基带以外，其他的芯片几乎都直接整合了5G基带。

问题又来了，都是搭载同一颗SoC的智能手机，为什么有些型号的网速更快更稳定，有些型号的网络体验却又非常差劲儿呢？

难道同款基带还有强弱之别？

手机5G网络的“快递部”

一款手机要想激活5G网络，不仅需要5G基带，还需要5G射频模块和配套的5G天线模块，而它们也恰好可以组建成一个“快递部门”。

其中，基带扮演的角色是快递站点的“打包/拆包”，负责将模拟信号通过AD数模转换电路，完成采样、量化、编码，变成数字信号（可以理解为把声音、画面变成0和1）；射频模块扮演的角色是快递包裹的分拣，将基带送过来的数字信号进行调制，比如滤波、放大、解调和解码等；天线模块则是负责将调制的信号发送出去，就好比快递员，只是收件人为运营商建设的基站。

需要注意的是，上述的快递流程是可逆的。

比如，作为收件人的基站也能选择发件，经由天线这个快递员接收后，经过射频模块的分拣，最终再由基带将打包的数字信号还原成模拟信号，把无数个0、1重新变回声音和画面被用户感知。

易被忽略的射频模块

5G射频模块的关键词是“模块”，它并非一颗芯片，而是一批芯片和元件的集合 。

一般情况下，当我们看到手机的拆机图片后，最为关心的通常是PCB主板上醒目的CPU（SoC）、内存、闪存、基带和电源管理等主要芯片。

你以为这些芯片很多吗？那当你看到数量更多更复杂的射频模块相关芯片后，是否有种“密集恐惧症”的既视感呢？

图里圈中的芯片全部属于射频模块范畴

射频模块作为超复杂的芯片矩阵，少了其中的任何一颗芯片或元器件，都有可能导致网络功能（如5G）受限。

华为虽然在基带芯片的研发和性能方面达到了业界一流水准，但在射频模块领域却依旧依赖于其他供应商。由于众所周知的原因，华为的部分供应链被“卡脖子”，在5G相关射频芯片的缺失下，华为手机在2021年重启4G也就在情理之中了。

射频模块的基本构成

射频的英文名是Radio Frequency，也就是我们经常念叨的“RF”，在手机领域属于具备远距离传输高频电磁波能力的功能模块。

一般来说，完整的射频模块包含射频收发器、射频前端和天线三个部分。 其中射频前端又包括功率放大器、包络追踪器、低噪声放大器、滤波器、天线开关、天线调谐器等多个组件。

射频模块的工作原理非常复杂，限于篇幅我们就不展开详细的介绍了。

简单来说，从基带芯片发送过来的信号频率很低，射频模块的主要任务，就是对这个信号进行调制，将低频调制到诸如GSM的900MHz频段、4G LTE的1.9GHz频段或5G的3.5GHz频段等。此时，虽然信号频率提高了，但依旧存在功率较小的问题，需要用功率放大器使其获得足够的射频功率，然后才会送到天线，再经滤波器消除干扰杂波，最终通过天线振子发射出去。

射频模块的其他组件也各司其职，比如射频天线开关用于控制天线的启用与关闭，而天线调谐器则可通过“摆弄”天线，获得最佳的收发效果。同配置智能手机之间之所以存在4G/5G信号强弱有别的问题，就是射频模块（包括天线）的布局设计和相关芯片组件的实际性能，如果手机厂商在这方面压缩成本，结果往往就是支持频段少，穿墙能力差，容易出现丢包、延迟、断网和卡顿等问题。

高通的“交钥匙”模式

在2G手机时代，联发科用“交钥匙”模式（联发科提供完整的芯片和配套系统和软件的整合，OEM厂商只需微调手机外观和系统界面再找个代工厂生产就能直接上市）横扫千军，并因此博得“山寨机之父”的美誉。在5G手机时代，高通的射频系统也走在了“交钥匙”的道路上。

前文我们已经提到了，5G射频模块长期都被Broadcom、Skywork、Qorvo、AVAGO、muRata等厂商垄断，手机厂商在购买高通骁龙、联发科天玑等SoC和配套（或整合其中）的基带以外，还需要购买很多来自第三方的射频收发器以及射频前端的无数颗芯片，再结合复杂的天线矩阵，才能实现完整的3G/4G/5G网络功能。

由A厂造基带、B厂造射频、C厂造天线，最后再由手机D厂完成最终的整合和对接，这种分散式的流程太过复杂，充满不确定性，想让来自不同厂商的芯片之间完美协同难度极高。

高通凭借其在基带芯片领域的技术和专利优势，已经成为了全球最大的基带芯片供应商，全球几乎所有的Android手机厂商都有采用高通骁龙移动平台和骁龙基带芯片。与此同时，高通还为射频前端提供端到端的解决方案，包括功率放大器、滤波器、射频收发器和天线调谐器，这意味着从基带到天线都可以使用高通的组件构建。

和分散式的5G模块相比，高通的集成式5G模块还有利于缩减系统的最终尺寸，减少对手机空间的占用。此外，这些拥有“血缘关系”的芯片矩阵，可以实现更深层次的优化整合，带来诸如宽带包络追踪（ET）、AI辅助信号增强技术、多载波优化、去耦调谐、多SIM卡增强并发等技术和功能。

我们不妨参考一下三星美国Verizon版三星Galaxy Note 20 5G UW的拆机图片，该产品从基带到天线的大量组件，包括几个功率放大器（如QPM5625）、包络追踪器（1个QET6100和2个QET5100模块等）和分级模块均来自高通。为了实现对毫米波的支持，该产品还内置2个高通最新的QTM535毫米波天线模组，后者在非常紧凑的尺寸中集成了天线、射频前端和收发器等部件。

国产化的分点突破

随着通信技术的持续迭代，需要的资金和技术投入越来越大，市场竞争日趋激烈，射频前端市场的玩家也在不断的并购当中越来越少，国产射频前端厂商存在感很低。长期以来，我们都缺少能像高通那般提供一揽子交钥匙模式的国产供应商。

好消息是，能在5G射频前端市场进行分点突破的国产厂商越来越多，比如国产5G SAW滤波器厂商主要就有天津诺思和开元通信等，国产5G PA功率放大器模组也形成了慧智微、唯捷创芯、锐石创芯以及昂瑞微为代表的多强格局，据悉华为将在2022年上市的新款旗舰机将回归5G序列，可见其已经解决了5G射频方面的芯片被卡脖子的问题。

射频芯片，5G手机里的一颗明珠

据统计，2020年第四季度，我国手机市场继续由4G向5G过渡，5G手机产品款型数占比已达六成。2021年全球智能手机出货量将达约 13.55 亿台，其中 5G 机型将有 5.39 亿台。对于制造而言压力着实不小，5G手机性能的好坏取决于内部的两大芯片——射频（RF）和基带。下面就带您了解一下射频芯片的奥秘。

简单来说，射频芯片的作用就是信息发送和接收。为什么说它如此重要？如果没有它，你的手机就是好几千块钱的大铁块。

先从射频说起，射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波，是可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流 (大于10K);射频(300K-300G)是高频的较高频段;微波频段(300M-300G)又是射频的较高频段。射频技术在无线通信领域中被广泛使用，有线电视系统就是采用射频传输方式。

而射频芯片指的就是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形，并通过天线谐振发送出去的一个电子元器件，它包括功率放大器、低噪声放大器和天线开关。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。

工作原理

这是射频电路的原理图，射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分：

接收时，天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波，高频放大后，送入中频内进行解调，得到接收基带信息，送到逻辑音频电路进一步处理。

发射时，把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频，用发射压控振荡器TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。经功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。

对于现有的GSM和TD-SCDMA模式而言，终端增加支持一个频段，则其射频芯片相应地增加一条接收通道，但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。对于具有接收分集的移动通信系统而言，其射频接收通道的数量是射频发射通道数量的两倍。这意味着终端支持的LTE频段数量越多，则其射频芯片接收通道数量将会显著增加。打个比方，若新增 M个GSM或TD-SCDMA模式的频段，则射频芯片接收通道数量会增加M条；若新增M个TD-LTE或FDD LTE模式的频段，则射频芯片接收通道数量会增加2M条。LTE频谱相对于2G/3G较为零散，为通过FDD LTE实现国际漫游，终端需要支持较多的频段，这就导致了射频芯片面临成本和体积增加的挑战。

其实设计一个良好的射频芯片还是很头疼的。首先射频芯片设计需要的理论知识非常多，很多设计理论甚至被人认为“玄乎”，而且射频芯片的设计存在各种指标的折中均衡，什么样的折中是最佳的？怎样折中是取决于产品的实际应用要求，没有定论。再者，很多射频芯片的指标要求都是要挑战工艺极限，这就需要很多创新性电路结构，例如噪声抵消、交调分量抵消、为了提高功放效率采用的动态偏置，有时为了降低功耗也是想尽了办法。

硬性困难还是工艺及封装。射频芯片最重要的指标是噪声系数和线性度，这两个指标和工艺完全相关，例如CMOS工艺衬底上就会耦合过来各种噪声干扰，CMOS器件的线性度也很差，这种难题是硬伤，如不解决好，只能通过合适的电路结构或者采取一些无法定量分析的隔离措施来缓解问题，这就存在很多不确定性了。除此之外，还有寄生参数、寄生电阻、电容和频率之间的权衡。

最后的封装亦是一大难点。小小的一根封装引线就是1nH以上的电感，这些电感对射频芯片的影响实在是太大了。在成本可控的前提下尽量采用先进的封装形式，减少封装带来的引线电感。

对于5G射频芯片，一方面频率升高导致电路中连接线的对电路性能影响更大，封装时需要减小信号连接线的长度;另一方面需要把功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器封装成为一个模块,一方面减小体积另一方面方便下游终端厂商使用。为了减小射频参数的寄生需要采用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封装技术。可以看出，到5G时代，高性能Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out结合Sip封装技术会是未来封装的趋势。

玩家盘点

成本昂贵，95%的市场被欧美厂商把持

通常情况下，一部手机主板使用的射频芯片占整个线路面板的30%-40%。据悉，一部iPhone 7仅射频芯片的成本就高达24美元，有消息称苹果今年每部手机在射频芯片上的投入将历史性地超过30美元。随着智能手机迭代加快，射频芯片也将迎来一波高峰。

目前，手机中的核心器件大多已实现了国产化，唯独射频器件仍在艰难前行。据悉，全球约95%的市场被控制在欧美厂商手中，甚至没有一家亚洲厂商进入顶尖行列。简单盘点一下在这个圈子里的国内外玩家：

国内

信维通信，产品线已从天线向射频隔离、射频连接器、射频材料扩展；

硕贝德，在5G天线及射频前端模组上的开发处于国内领先水平；

麦捷科技，片式电感及LTCC射频元器件的龙头厂商。

长盈精密，国内最优秀的射频前端集成电路设计和制造商之一，拥有两大核心技术，分别为基于GaAs pHEMT工艺的功率放大器与包络跟踪电源系统。

顺络电子，国内电感和射频元件龙头。

唯捷创芯，国内最大射频IC设计公司。

中兴通讯，全球领先的综合通信解决方案提供商。

紫光展锐，产品涵盖2G/3G/4G/5G移动通信基带芯片、物联网芯片、射频芯片、无 线连接芯片、安全芯片、电视芯片。

国外

Skyworks（思佳讯）

射频元件龙头，苹果射频供应商，主营方向为射频前端产品，包括射频功率放大器即RF PA、各种滤波器、混频器、衰减器等。

Qorvo（RFMD与TriQuint）

Qorvo 由 RFMD 和 TriQuint 合并而成。兼具 RFMD 和 TriQuint 的技术、集体经验和智慧资源，是移动、基础设施和国防应用领域可扩展和动态 RF 解决方案的全球领导者。

TriQuint（超群半导体，与RFMD合并）

Murata（村田）（收购Renesas的功率放大器业务）：村田主营产品有陶瓷电容、陶瓷滤波器、高频零件、无线传感器等。前阵子，村田宣布收购意大利的无线射频（RFID）技术新创企业ID-Solutions，加速物联网布局。

Epcos，世界上最大的电子元器件制造商之一，产品主要市场在通信领域、消费领域、汽车领域及工业电子领域。

此外还有恩智浦（NXP）、科锐、Macom、美信半导体、ADI、英飞凌、Avago(收购博通有线/无线芯片业务)、博通集成、高通、三星…

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