从4G到5G，看手机射频芯片的发展历程
2011年巴塞罗那举行的世界移动大会（MWC 2011）中，时任中国移动董事长王建宙表示，2011年将是4G TD-LTE商用元年。4G两大通信标准TD-LTE和FDD-LTE在2011年全面正式商用。
到了2021年，通信协议10年一变，5G成为代表未来的通信标准。在正式商用两年之后，5G即达到了超过4亿的连接数。5G生态逐渐形成，蓬勃发展。? ?在过去十年中，无论对于已经基本固化的4G通信协议，还是仍在演进中的5G协议，射频前端方案都在不断演进。射频前端的“十年一大变，两年一小变”，演变出看似复杂的多种方案。MMMB PA、TxM、L-PAMiD、L-FEM……各种简写名词层出不穷。本文对过去10年手机射频前端方案做一个整理，和大家一起回顾射频前端方案的过去，讨论射频前端方案可能的未来。
“Phase X”系列的出现
现在谈到手机射频前端方案，无不例外都会提到“Phase2方案”、“Phase7方案”、“Phase7LE方案”等名词，这些方案是怎么出现的呢？? ?一般射频前端方案由器件厂商、平台厂商及终端厂商三方共同定义开发完成。
图：参与射频前端方案定义的厂商? ?在2010年左右之前，手机平台方案并不像当前这么集中。除了MTK、高通及展讯外，ADI、TI、Agere、Infineon、Philips、Freescale、Renesas、Skyworks等公司，都提供过手机平台解决方案。由于当时平台方案分散，射频方案这个细分方向对射频技术要求高，所以并没有平台厂商可以将射频方案统一起来。在这个时期，射频方案定义的主导权主要在射频器件厂商，由射频器件厂商发起定义、平台适配和客户推广。? ?在2010年之后，MTK、高通、展讯及海思平台崛起，手机平台方案越来越集中。越来越集中的还不止是平台厂商，随着山寨机的没落，终端厂商也逐渐向头部聚集。平台厂商、终端厂商及器件厂商，都对射频前端器件“生态”的形成更加重视，能否形成器件统一的“生态”是新方案定义中非常重要的考虑点：? ?平台厂商：
平台厂商不断积累射频前端的定义能力，并期待将射频前端方案统一纳入到方案规划中，统一向客户提供一站式“turn-key”解决方案。
射频前端愈加复杂，新的射频前端方案必须要完成复杂的平台适配才能完成应用，使得平台厂商在射频前端方案定义的话语权进一步增加。
终端厂商：
期待实现不同供应商器件之间的灵活替换，降低供应风险。
方案统一可以降低应用时的适配难度。
器件厂商：
收敛统一的方案可降低多个方案带来的巨额开发和维护费用，降低生产成本。
方案的统一降可低新器件的开发风险。
由于以上考虑，MTK发起定义的“Phase X”系列射频前端方案受到终端厂商、器件厂商的支持，成为公开市场过去近10年主流的射频前端方案。MTK的“Phase X”系列方案伴随了整个4G的发展，占据整个4G市场约80%的市场份额，并且在5G时代依然是公开市场最为主流的方案。以下将对Phase系列方案进行详细讨论。? ?以上为公开市场方案定义的变化，还有一部分射频前端方案是直接由终端厂商发起定义的，这种方案出现在头部终端厂商中。如苹果iPhone手机、三星和华为的自研手机中所用的射频前端方案。自定义射频前端方案全年出货比例约占整体射频前端方案的20%以下，并且比较闭环。本文将主要讨论公开市场中通用的射频前端方案演进。
Phase1：史前时代
严格来说，并没有Phase1方案的定义。
MTK的射频前端定义是从2014年的Phase2开始的。在Phase2推出之前，TD-LTE/FDD-LTE已经全面商用3年了，在这三年出现的方案一般称为Phase1方案。? ?Phase1方案并不统一，一般来说是最大程度的复用射频前端厂商3G时代的产品定义：与原来2G/3G重合的频段复用原来的pin脚；4G的新频段用单独分立的通路进行覆盖；再用天线开关将所有频段合并到同一根天线上。? ?下图为典型的射频前端方案，发射部分主要由三款芯片构成：
图：荣耀6X射频前端方案框图（来源：Navian RF Devices / Modules For Cellular, 2016）
除了以上型号，在同一时期的Sky77621、Sky77753、RF7378等，都属于“Phase1”时代的芯片方案。这些方案主要由Skyworks、RFMD（现Qorvo）厂商定义开发。
Phase2：顺应时代，成就经典
Phase2方案是MTK由2014年定义的第一代归一化4G射频前端方案，7年过去回头来看，Phase2方案的定义依然经典。用现在时髦的一句话说：Phase2方案，YYDS（永远滴神）。? ?如前文所述，在2G/3G时代，射频前端的方案并不统一，Skyworks、RFMD（现Qorvo）等公司时常会有缺货发生。不少国内创业公司在2011年前后，依靠RF9810、Sky77590等芯片缺货挖掘到了第一桶金。缺货对国内创业公司是机会，但对终端及平台厂商却是灾难：射频前端的缺货会影响到平台出货和终端生产。于是，MTK在2012到2013年左右开始着手定义Phase2方案。? ?Phase2方案的定义不仅仅考虑到了当前方案的统一，还考虑到了方案生态的可达成性、未来协议的演进、4G三模/五模的共存等等。Phase2对于Phase1的改动主要如下：
Phase2将Phase1的2G PA，与ASM（Antenna Switch Module，天线开关模组 ）整合，形成TxM（Transmitter Module，发射模组）；将4G频段的PA整合，形成完整的4G MMMB PA（MulTI-Mode, MulTI Band Power Amplifier Module，MMMB PAM，习惯简称为MMMB PA或者MMMB）。? ?经过改进，Phase2方案有以下优势：
灵活性增强：由于2G PA的设计方法与3G/4G PA有大的不同， 2G PA与4G PA的分离可以带来设计的灵活性。同时为日后2G退网做好准备。
2G PA一般采用SAW-less方案，输出不需要经过额外的SAW滤波器等，2G PA与ASM集成为TxM可以降低2G PA后端插损。
供应商可针对性发挥优势：不同供应商在2G与3G/4G的技术积累与能力不同，分离后可以极大化的发挥不同供应商的优势。
4G 频段的整合，为日后4G乃至5G频段的发展做好准备。
Phase2在定义时，还考虑到了不同运营商的兼容。除了定义全网通的4G MMMB PA芯片，支持GSM、WCDMA、TDS-CDMA、TD-LTE及FDD-LTE的5模方案外，还定义了只支持中国移动频段的GSM、TDS-CDMA、TD-LTE的3模方案芯片，这两颗芯片尺寸大小不同，但却可以共板替换，定义的相当巧妙。不过由于3模市场很快过去，全网通手机成为大势，MTK巧妙的兼容定义并未被大规模使用起来。
国际厂商的Phase2的代表产品是Skyworks的Sky77916+Sky77643，以及RFMD（现Qorvo）的RF521X+RF5422。? ?国内厂商也在这个时代进行追赶。? ?方案归一化后，国内厂商开始加大投入，开发与Skyworks/Qorvo等国际厂商相同方案的产品。虽然产品定义和目标产品都是清晰的，但过去几年国内厂商和Skyworks/Qorvo等厂商的竞争中并不占优，直到2020年前，国内市场在4G Phase2市场的市占率仍小于10%。Skyworks/Qorvo等公司在国内竞争对手杀入后，仍然保持优势的原因是：
国内厂商大多数采用“跟随战略”，即在Skyworks/Qorvo推出产品之后，快速进行拷贝和复制，推出功能类似的产品，然后靠低价格杀入市场。
Skyworks/Qorvo等国际厂商性能更优：Skyworks/Qorvo等厂商有近20年的技术积累，国内厂商若采用相同的方案，无法在性能上实现超越（在相同方案中，目前综合性能仍然是国际厂商最优）。
Skyworks/Qorvo成本更低：Skyworks/Qorvo等厂商采用IDM模式，有年20亿美金以上的销售额支持其形成规模优势，使其拥有更低成本（国内为Fabless模式，并且销售额小于国际厂商1到2个数量级）。
Skyworks/Qorvo掌握知识产权：国内厂商采用同质方案的知识产权风险，让头部客户使用有顾虑。
2020年以后，随着4G毛利逐渐降低，5G市场逐渐起来，国际厂商开始放弃对4G市场的占据，国内厂商得以机会在4G市场取得份额。但由于定价权依然在国际厂商手中，采用相同技术方案实现产品的国内厂商依然无法取得可观的毛利。? ?慧智微在2011年成立时即尝试采用创新的方案进行设计，取得性能、成本及知识产权优势。慧智微采用自有知识产权软件定义可重构方案实现的Phase2射频前端拥有更少硬件，并可通过软件调谐实现性能优化。目前已实现数亿片芯片出货。
Phase3/5：完善方案，支持CA
Phase3及Phase5的定义在2015-2016年，也是全球4G建设最为火热的时候。除中国外，大部分运营商获得的频谱都是通过拍卖的方式获得，频谱资源珍贵，运营商一般无法获得连续较宽的频谱。相比于中国移动在4G时代B41获得的2575-2635MHz的70MHz带宽（进入5G后，中移动在B41/n41带宽将拓展至160MHz），国际运营商通常只有几MHz或者10几MHz信号带宽。为了提升用户体验，CA（Carrier AggregaTIon, 载波聚合）技术开始被大家关注。? ?CA技术是LTE-A中的关键技术，可以将2～5个LTE成员载波（Component Carrier，CC）聚合在一起，实现最大100MHz的传输带宽，有效提高了上下行传输速率。? ?按照上下行CA的功能不同，CA可分为下行CA（DL-CA，Down Link CA）及上行CA（UL-CA，Up Link CA）。按照载波频段的不同，CA可分为带间CA（Inter Band CA），及带内CA（Intra Band CA）。同时，带内CA又有连续与非连续之分。
图：LTE载波聚合示意图? ?
CA方案较为复杂，不同细分场景和不同的CA组合需要有不同的方案来响应。MTK先后定义了Phase3及Phase5来支持不同的CA场景。Phase3可以支持到2下行CA及带内上行CA；Phase5利用多工器的引入 ，又将CA能力提升到了3下行CA及带间上行CA，不过PA后端插损增加，对PA输出功率的要求提升。
由于分立方案实现CA较为复杂， Phase3及Phase5作为完整射频前端方案并未形成大规模生态。CA市场并非全球市场，对CA能力有强需求的主要是海外高端手机，在Phase6 PAMiD方案定义完成后，这些手机快速转向了PAMiD方案，所以Phase3/Phase5也没有形成对Phase2的取代。? ?在MTK的定义中，并没有“Phase4”方案，原因是华人社会对数字“4”的避讳。据说MTK对“Phase4”的跳过，也让Qorvo/Skyworks等国际厂商了解到了“4”这个数字在中文发音的额外含义，使国际厂商在产品命名中的数字使用也更加慎重。
Phase6/Phase6L：进入PAMiD，依然经典
在分立方案开发完成后，国际大厂开始向PAMiD深度布局，PA和滤波器厂商开始整合：2014年，Skyworks宣布与松下组建合资公司；2015年，RFMD与Triquint合并，成立Qorvo公司；2016年，高通宣布与TDK建立新的合资公司RF360。
PAMiD的全称是PA Module integrated with Duplexer，PA滤波器集成模组。在这个模组中，同时集成了PA模组与滤波器组，也集成了天线开关等。PAMiD集成度高，链路插损小，使用简便，是高端手机的首选方案。iPhone从iPhone4时代，即开始采用PAMiD方案，方案来自于Avago（现Broadcom）、Skyworks、Triquint/RFMD（现Qorvo）等厂商。? ?虽然射频前端厂商在2016年之前就在iPhone等手机上应用PAMiD方案，每家厂商也都有自己的方案在推广，但公开市场一直缺少统一定义，PAMiD方案在公开市场并没有很好的应用。? ?MTK在2016年推出PAMiD方案Phase6定义，随后又进行成本优化，去掉冗余载波和滤波器，升级到更贴合中国市场的Phase6L（Phase6 Lite），Phase6L也在公开市场的PAMiD方案中取得成功。
在MTK Phase6/Phase6L PAMiD方案成功定义的2016年前后，MTK先后发布中高端Helio P系列以及旗舰Helio X系列SoC，准备与高通在旗舰市场一决高下。但随着手机终端厂商将MTK Helio X10芯片应用于千元档位手机，MTK SoC平台的旗舰之路遇阻，随后MTK宣布放弃旗舰平台Helio X的开发。MTK所定义的Phase6/Phase6L PAMiD射频前端方案，与当时MTK SoC平台所处的千元机市场无法匹配。? ?虽然MTK平台冲击高端受限，也不妨碍MTK所定义的PAMiD射频前端方案成功。MTK所定义的Phase6/Phase6L射频前端方案，先后在海思、高通等其他平台方案中量产。即使当时MTK平台没有冲向高端，但MTK所定义的射频前端生态也在高端手机市场量产，MTK射频前端的定义能力及号召能力可见一斑。
Phase7/Phase7L/Phase7LE：5G的开门红
5G对全世界来说都是新的。? ?5G频段是新的，标准是新的，甚至需求也是不断变化的。在需求未清晰的情况下，5G早期的方案也差别很大。高通、华为海思、村田、Qorvo及Skyworks等厂商，都在2018年推出过不同形式的方案。? ?MTK在对协议、运营商、终端客户及器件厂商的信息综合分析后，定义了Phase7方案。Phase7方案的Sub-3GHz部分主要由Phase6/Phase6L继承而来。在5G新增加的Sub-6GHz UHB部分，重点定义了支持n77/78/79频段、集成SRS开关的双频高集成模组。? ?Phase7方案的推出，很好的适应了5G的新需求，众多终端厂商的5G射频前端方案快速切换至Phase7方案。? ?MTK将5G平台方案取名“天玑”，并发布1000、800、700系列，布局5G高、中、低端市场。由于5G完整方案的推出，MTK平台在5G大有斩获。下图为MTK平台近一年市占率增长情况，在2021年Q2，MTK平台出货市占率达43%，比其他第三方平台（高通、展锐、三星）之和还要多。
图：智能手机SoC平台出货占比
（2020 Q2及2021 Q2，来源：Counterpoint）
在推出第一代Phase7之后，MTK快速定义Phase7L（Phase7 Lite）、Phase7LE（Phase7L Enhancement，Phase7L增强版），适应5G市场的快速变化需求。Phase7/Phase7L/Phase7LE各代之间的演进关系如下图所示。
Phase7主要应对初期的5G应用，基于Phase6增加了5G的支持，包括：
Sub-3GHz PA进一步提升功率及线性，以支持5G高功率、高阶调制的需求；
天线开关复杂度升级，以应对5G对SRS切换、MIMO、智能天线切换的需求；
方案提升了eLNA的重要性，定义了集成eLNA、RX filter和Switch的L-FEM产品形态。
Phase7L基于快速发展的5G需求，进行了迭代，包括：
Sub-3GHz进一步提高集成度，在PAMiD产品形态中加入主集接收LNA，形成L-PAMiD产品形态。
Phase7LE随着5G需求趋于收敛应运而生，预计将成为未来主要方案：
UHB从1T1R L-PAMiF及1R L-FEM方案，演进至1T2R/2R的产品方案，进一步提升集成度；
继续优化模组内开关、EN-DC支持、双工器等功能，进一步减少模组外围器件需求，达到整体方案的高性能和简洁。
随着5G应用的推进，5G射频前端方案也开始收敛。不止是MTK平台，高通及展锐平台的方案也统一至Phase7系列方案。值得一提的是，高通自有品牌的最新5G UHB射频前端产品，也逐渐向MTK所定义Phase7系列方案靠拢。Phase7系列成为又一个经典方案。? ?得益于深厚的技术积累，慧智微快速响应了MTK Phase7系列方案的定义。慧智微于2019年12月，作为国内首家射频前端公司推出了兼容于Phase7的UHB 高集成L-PAMiF及L-FEM模组，并在2020年实现包括国际头部终端厂商在内的数十款5G终端量产。? ?慧智微在5G的突出成果也得到了国内及国际行业组织的认可，工信部“中国芯”将2020年重大创新突破产品奖颁发给了慧智微，5G全球推动组织GTI将2021年度荣誉奖授予慧智微。慧智微分别作为国内的首家射频前端公司，得到了以上两个奖项。在2021年9月，慧智微被高通评选为“2021 5G生态最值得关注的十大新锐创业企业”。? ?2021年4月，慧智微Phase7LE高集成1T2R UHB L-PAMiF及2R L-FEM模组客户送样，2021年9月产品正式量产，慧智微实现5G新方案产品持续领先推出。
Phase 5N：虽非官方定义，但却顺理成章
虽然Phase3、Phase5作为完整方案并未成为全球性的大节点，但Phase3、Phase5定义下所产生的个别芯片在日后方案中有了举足轻重的作用：Phase3时代定义的TxM，可以很好的支持5G时代的多天线场景；Phase5时代因为CA方案中后端引入四工器、Diplexer等插损增加，将Phase2 MMMB PA的功率提升了1dB，这提升的1dB受到了终端厂商的欢迎，可以用来抵消部分应用中PA后端过大的插入损耗，部分厂商直接将提升功率版的MMMB PA称为“Phase5 PA”。? ?5G到来之后，头部终端厂商主导将Phase5 MMMB PA增加支持5G NR信号的定义，被业界称之为Phase5N（“N”代表支持5G NR）PA，基于这颗MMMB PA所构建起来的5G方案也称之为“Phase5N方案”。由于大家对Phase2/5 MMMB PA相当熟悉，Phase5N PA只是在原来的基础上增加了5G NR信号支持，pin脚等未做修改，这颗物料也顺理成章的得到大家的接受。
Phase5N 5G方案中，Phase5N MMMB PA只是对MTK 5G方案的Sub-3GHz部分做了修改，在Sub-6GHz UHB部分依然沿用MTK的定义。Phase5N方案与MTK所定义Phase7/7L/7LE中PAMiD/L-PAMiD的替代关系如下：
不过需要说明的是，Phase5N并不是MTK的定义。到目前为止，MTK还没有正式推出过分立5G NR的射频前端方案定义。MTK官方的5G方案，依然是集成的PAMiD/L-PAMiD方案。Qorvo、Skyworks也没有响应Phase5N方案，而是推广单价更高的PAMiD/L-PAMiD产品。当前Phase5N产品全部由国内厂商提供。
图：射频前端方案的“两年一个大节点”
射频前端方案的未来
过去10年，平台深度参与射频前端方案的定义，安全保障了在4G的大规模商用以及5G新协议的快速部署。未来射频前端方案将演进到什么方向呢？
猜测有以下几个可能的趋势：
射频前端方案继续强调“生态”
生态的形成会带来良好的质量，合理的价格，安全的供给。有良好生态的射频前端方案将继续是终端厂商的优先选择。
头部终端厂商深度参与规格定义与产品定制
目前头部终端厂商越来越集中，并且对射频前端的理解能力也越来越强。除了苹果、三星、华为之外，国内的OPPO、vivo、小米及荣耀也都已经具备射频前端方案的定义能力。未来头部终端厂商将深度参与到射频前端产品定义中来。
高集成模组化是大方向
受限于可集成化小型SAW/BAW滤波器及双工器，国内厂商现在还无法在Sub-3GHz提供PAMiD及L-PAMiD方案。随着越来越多优秀公司的投入，一旦滤波器及双工器供应解决，国内厂商有望实现PAMiD及L-PAMiD模组产品实现突破。
核心技术为王
只有掌握核心差异化的技术，才有机会在归一化生态的产品竞争中获胜，才有机会深度参与到头部客户的差异化定制中来。未来竞争将更加激烈，更考验厂商的核心技术能力。
结语
射频前端芯片行业是一个备受关注的行业，本文尝试回顾过去十年手机射频前端方案的发展，提供一些信息供参考讨论。射频前端芯片行业也是一个快速变化的行业，射频前端方案与通信协议息息相关， “十年一大变，两年一小变”是这个行业过去几年发展的规律。? ?观往知来，只有了解射频前端的过去，才能把握射频前端的未来。慧智微电子期待与你一起了解过去，开创未来。? ?本文整理过程中，得到众多同行、同事的帮助，在此一并表示感谢。? ?你对射频前端未来发展有什么看法，欢迎留言讨论。
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附，文中部分简称名词解释及框图：
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