手機中FEM越來越重要 國產射頻的機會在哪里？

　　從Skyworks說起

　　Skyworks是半導體業(yè)內射頻元器件巨頭。近來，隨著全球手機制式從3G逐漸轉換到4G，Skyworks的業(yè)務在不斷變強，營收和利潤則不斷增加。Skyworks的凈收入在2015財年達到了32億美金之后在2016財年保持高位，而毛利潤率則在不斷攀升，2016財年達到了51%。

　　Skyworks的增長和中國市場密不可分。在之前《最依賴中國市場的十家美國半導體公司》一文中，我們指出Skyworks是最依賴中國市場的美國半導體公司，在2015年中國市場收入占其總收入竟達到了84%。

　　在2016年，Skyworks在中國的收入繼續(xù)增長。Skyworks在2016財年第四季度財報中表示，它在中國進入了華為，Oppo和Vivo等出貨量排名前茅的手機的供應鏈，由此獲得了顯著的利潤，并且將在未來把注意力集中在滿足中國前五手機廠商的需求。

　　Skyworks的中國市場究竟是什么

　　Skyworks在中國的主要收入究竟來自哪里?請看其官方網站上的圖片：

　　這是一張華為榮耀手機的拆解圖，其中Skyworks的模塊在圖中都已標出。從圖中可見，華為手機中使用的Skyworks模塊主要是射頻前端模組(FEM)，包括天線調諧器(Antenna Tuner)，射頻開關(SKY13xxx系列)，PA模組以及SkyOne系列集成化FEM。這些FEM在一部手機中的價值達到了8美元以上，即每賣出一臺這樣的手機Skyworks就可以獲得8美元的收入。在中國，Skyworks打入了華為，Oppo和Vivo這些手機巨頭的供應鏈，它的FEM業(yè)務也跟著這些手機巨大的年出貨量(三巨頭每一家2016年的年出貨量都可望超越7000萬臺)而賺得缽滿盆滿。

　　什么是射頻前端模塊

　　隨著CMOS RFIC的普及，越來越多的模塊從分立器件轉到了集成電路上。然而，有一些器件由于各種各樣的原因，目前還無法集成到傳統(tǒng)CMOS RFIC上。這些無法集成到RFIC上的射頻器件通常稱為射頻前端模塊(RF Frontend Module， RF FEM)。一個完整的商用射頻系統(tǒng)包括使用CMOS工藝實現的基帶Modem，RFIC收發(fā)機，以及由非傳統(tǒng)CMOS工藝實現的FEM。FEM離基帶較遠而離天線較近，這也是FEM器件被稱為“前端”的原因。一個典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射頻系統(tǒng)架構圖如下圖所示。

　　一個典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射頻系統(tǒng)架構圖

　　典型的FEM包含如下器件：

　　1. 天線相關的器件：天線調諧器(Antenna Tuner)與天線開關(Antenna Switch)。由于現代射頻系統(tǒng)(如手機的射頻系統(tǒng))通常要覆蓋多個頻帶(2G的GSM 900MHz，PCS/DCS 1.7/1.8GHz，3G的2.1GHz，4G TD-LTE的2.6GHz等等)，而每個天線的頻率覆蓋范圍都有限，因此必須使用多組天線來覆蓋全部頻率，這樣就需要天線開關來控制在不同的應用時切換到不同的天線。同時，即使在使用同一組天線時，對于覆蓋頻帶范圍內的不同信道頻率，天線的特征阻抗也會發(fā)生一些變化。為了保證最大功率傳輸，一般會要求特征阻抗保持在50 Ohm ，這時候就需要天線調諧器幫忙來實現阻抗匹配。對于天線開關，當與發(fā)射機配合使用時必須保證足夠的線性度(發(fā)射機的發(fā)射功率可達30 dBm)，而與接收機配合使用時必須保證足夠小的衰減，而這些要求一般CMOS工藝很難實現，因此必須使用非CMOS工藝。

　　2. 多路器(diplexer)與收/發(fā)開關(T/R Switch)。多路器和收/發(fā)開關的目的都是實現收發(fā)機與天線信號之間的定向傳播。多路器通常用于頻分多路(FDM)系統(tǒng)，其中接收機和發(fā)射機的載波頻率不同，但是可以同時工作。多路器可以將發(fā)射機信號耦合到天線，或者將天線信號耦合到接收機，并且將發(fā)射機信號與接收機進行隔離以避免接收機鏈路被發(fā)射機干擾。收/發(fā)開關則是用于時分多路(TDM)系統(tǒng)，其中在同一時刻接收機和發(fā)射機只會有一個在工作，因此需要把接收機或者發(fā)射機其中的一個接到天線。多路器與收/發(fā)開關都必須滿足很高的隔離度與很低得衰減，因此無法用傳統(tǒng)CMOS工藝實現。

　　3. 濾波器。濾波器必須能夠實現非常陡峭的頻率響應曲線，這樣才能把頻帶外信號衰減到足夠小，同時噪聲和插入損耗必須足夠小。濾波器所需的品質因數(Q)非常高，目前主流的實現方案是SAW(表面聲波濾波器)與BAW(體聲波濾波器)。

　　4.功率放大器(PA)。功率放大器是射頻系統(tǒng)的關鍵模塊，它需要把發(fā)射機的信號功率放大到足夠大(如20dBm)，才能滿足通訊協(xié)議的要求。隨著無線通訊協(xié)議的發(fā)展，數據率越來越高，同時無線調制方式也越來越復雜，這導致了功率放大器的線性度必須足夠好才能滿足協(xié)議的需求。另一方面，功率放大器的放大效率也不能太差，否則在放大信號的同時會消耗太多電池電量，導致手機一會兒就沒電了。CMOS工藝目前還無法實現同時滿足線性度和放大效率的功率放大器，因此必須使用其他工藝(如GaAs)來做功率放大器。

　　5.低噪聲放大器(LNA)。低噪聲放大器是接收機的關鍵模塊，決定了整個接收機的靈敏度。低噪聲放大器必須在噪聲系數很低的同時滿足線性度的需求。目前在中低端射頻系統(tǒng)中已經實現將LNA完全集成到RFIC上，但是在高端射頻系統(tǒng)(例如在iPhone的一些型號中)還是使用了片外LNA模組以滿足系統(tǒng)對于性能的需求。