圖1、可調射頻（RF）組件和電路技術可以簡化前端模塊

現在可調射頻（RF）組件和電路已經在以天線調諧器的形式在移動手機射頻前端中建立了一個灘頭陣地，可調射頻（RF）市場滲透的下一步需要被識別出來並進行推廣和採納。我們可以轉向天線，並將天線調諧和天線設計整合到一個整體解決方案中。這正是Skycross和Ethertronics等天線公司已經採用有源和自適應天線解決方案進入市場的原因。或者，我們可以轉向前端的濾波器一側，看看如何以及如果我們能夠利用這個現今有數十億美元的市場機會，今天終端射頻濾波器幾乎全是聲學濾波器器件的獨有優勢。或者，作為第三種選擇，我們接下來應該討論在功率放大部分提供可調諧性的潛在機會。如果不是濾波器的性能要求，那麼做出選擇可能會很明顯。但天線和功率放大器/低噪聲放大器都有自己的一系列技術指標要求和業務挑戰，也不能提供濾波器領域的上攻的機會。

圖2、複雜的4G射頻前端架構

通過選擇專注於濾波器領域，我們也將面臨著另一個挑戰：現有的用於可調諧RF-MEMS，BST或者SOI的實現技術都不能實現與SAW / BAW / FBAR濾波器相媲美的濾波器性能，包括足夠的帶寬要求，以及陡峭的濾波性能。在這三種可調諧器件技術中，似乎只有串聯配置的MEMS器件提供了某種性能等級，如果與架構創新相結合或者在更多限制性應用中使用，則可能可以在射頻前端（RFFE）中提供所需的濾波性能要求。

圖3、可調射頻技術簡化射頻前端架構

為了開始探索RF濾波器領域中的市場機會，WiSpry開發了針對所選共存應用可調RF陷波濾波器的原型。這些濾波器在干擾信號有明確定義的情況下（例如Wi-Fi和高頻蜂窩發射機）和相對接近的情況下，可以根據需要提供額外的20-30 dB的濾波抑制。利用MEMS可調諧電容器的寬調諧範圍，可以將這些濾波器調整到遠離帶外的位置，也可以根據實際需要將其關閉，以避免在沒有共存問題需要處理的大多數時間內固定濾波器所產生的插入損耗。而當需要被“打開”時，其插入損耗與靜態濾波器的損耗相當。

圖4

圖4

圖4、展示了由WiSpry開發的雙多頻帶可調諧（TX或RX）濾波器原型模塊的初始測量性能結果，該概念擴展了可調諧，窄帶抑制的濾波器概念。

對測試結果的審查表明，陷波響應提供了跨越多個頻帶的可調諧抑制的合理水平。

圖5、可調諧射頻多頻段射頻前端架構

繼續這種自下而上的分析設計方法，在WiSpry，英特爾和丹麥奧爾堡大學之間的聯合工作中，多年來一直在開發可調諧窄帶前端架構原型。圖5顯示了覆蓋頻段1至頻段7的完整多頻帶可調RFFE（射頻前端）架構的初始硬件演示板。演示板包含一對TX和RX天線，當與可調TX和RX陷波濾波器結合使用時，可實現可調雙工的功能。這種現在已有數年曆史的原型僅使用八個可調硬件組件（包括天線對）實現了大部分3GPP的協議規範，並且不使用任何聲學濾波器或者開關。這個演示板非常空曠，擁有標準移動手機電話板的尺寸。這種架構的開發會一直延續下去 ，並且後續的低頻段和高頻段原型現在都已經在實驗室中運行。

圖6

圖6提供了WiSpry稱為CAFE（Compact，Agile Front End，緊促的靈活的射頻前端）的完整LTE-A可調RFFE（射頻前端）概念的示意圖。如圖所示，該架構固有地支持LTE CA和MIMO功能，對於每個可能會同時工作的無線電鏈路，僅需要增加一個額外的可調RF（射頻）路徑。

圖7、典型的手機天線

圖8、天線調諧控制器

圖9、天線開關控制器

圖10、天線開關控制器的規格

從4G手機射頻前端BOM的成本在7.00美元至17.00美元的機會角度來看，像CAFE（Compact，Agile Front End，緊促的靈活的射頻前端）這樣的體系結構看起來很吸引人。但與此同時，它們又是革命性的，因此它們帶有大量的概念性的和一些實際的風險。從根本上說，這種架構的要求之一就是對手機的生產，輻射測試變得與以前的系統有所不同。像LitePoint這樣的公司正在取得這種能力的巨大進步，並且生產測試基礎設施已經到位，但是需要幾年時間才能批准必要的認證測試用例和規範。在此期間，可調射頻器件可通過實施額外的和下一代天線調諧器，可調諧天線，可調PA和LNA，適用於共存等應用的可調諧濾波器，以及它們可能的子集如在接收端採用類似於CAFE的架構等，來持續地增加可調射頻器件的市場份額和收入。同時追求自上而下開發並行的完整可調諧窄帶射頻前端解決方案。

最終，很可能沒有任何一種設計方法或者技術將被證明是某個銀色子彈（英文：Silver Bullet，喻指新技術，尤指人們寄予厚望的某種新科技），而是未來的RFFE（射頻前端）架構將會發展為兼具固定和可調功能中的最佳功能，以及CMOS，聲學濾波器和其它現有的和新的實施技術。無論形式如何，時間都是至關重要的。 2020年將比我們想象的要更早，行業會產生一些新的終端射頻前端架構，並且與此同時，5G將帶來更加令人生畏的性能挑戰，這一切都在呼籲開發新的RFFE（射頻前端）架構。

結論

在第一次手機通話後的45年中，移動通信以我們無法想象的方式改變了世界。移動通信技術已經從模擬鏈路上的語音通信演變為以數據為中心的數字體系結構，該體系結構提供高速數據的下行鏈路和上行鏈路，高速流視頻的下行鏈路以及數據語音服務。通信標準已經發展到目前的第五代技術，其在市場上的部署速度將會比以前的任何這種標準都要快。今天，全球超過72％的人口估計是手機用戶。移動手機和他們使用的射頻半導體器件已成為消費電子產品的增長引擎，反過來也是整個半導體行業的增長引擎。2017年僅僅在中國就生產手機19億部，其中大部分是智能手機，其處理，存儲和軟件功能將遠遠超過幾年前的領先個人電腦。

圖11、射頻前端對手機終端未來的發展至關重要

隨著手機市場的成熟，手機架構的不同部分已經以不同的速度發展。儘管手機的較低頻率數字部分享有摩爾定律的縮放優勢，但是作為手機與網絡之間越來越關鍵的連接的RF前端，其發展速度要慢得多。隨著LTE在全球範圍內頻段的迅速擴散，越來越多的挑戰性的性能規範將RFFE（射頻前端）定位為移動通信下一階段創新的關鍵瓶頸。

圖12、手機天線的性能受到天線尺寸的限制

為了解決這個瓶頸，過去十年裡出現了一種新的設計模式---即可調RF（射頻），高性能RF（射頻）組件的概念，其頻率和功能可通過軟件進行動態調整，這種概念最初以天線調諧器的形式進入到射頻前端架構中。這種可調射頻組件能夠用一個硬件設備替換多個組件，並將支持多頻段操作所需的這些組件的鏈路數量減少到等於要求最大併發的工作的射頻無線電通道的數量。從這個角度來看，我們可以將可調RF前端視為實施軟件無線電的最後一步。

圖13、對天線調諧補償可以顯著改善系統性能

目前的可調射頻市場正處於增長的初期階段，只有少數玩家在生產產品和產生收入。目前該領域的總收入以數億美元計算，佔整個90億美元的RFFE（射頻前端）市場的一小部分，但該市場正在迅速增長。在今天用於可調RF（射頻）器件的三種實現技術即MEMS，BST和SOI中，目前市場的大部分屬於使用SOI FET開關實現的天線調諧器。

展望未來，可調射頻（RF）預計將會比RFFE（射頻前端）市場增長的速度更快。天線調諧器將享受更深入的滲透率，每臺手機的平均使用率超過每部手機一個；天線廠商將為市場帶來新型的主動式和自適應天線系統，以滿足理想的手機工業設計所施加的體積限制，同時提供滿足消費者和網絡運營商所需的無線性能水平。支持MEMS的可調濾波器將在市場上推出，並且可調諧性在功率和低噪聲放大器中的應用將會變得更加明顯。最後，也許是最顯著的，全新的完全可調RFFE（射頻前端）架構將開始出現在市場上，而最有可能將從共存濾波器和分集接收應用開始。一旦支持輻射測試所需的標準和生產製造能力得到部署，這些架構將完成其演變為具有寬帶可調性的軟件定義的窄帶設計。這種架構最有可能採用CMOS和其它專用技術實現的固定和可調器件的混合方法來實現。

圖14、可調射頻前端技術阻力手機性能持續改進

最後，據估計，在2020年的時間框架內，5G技術將開始商業化，隨著無線通信和連接性技術的繼續發展，它們看起來不可避免地要繼續走向成為如此普遍的和緊密集成在日常生活中不可見的射頻前端結構中，不可避免的將會遇到新一波的挑戰和機遇。