手机中FEM越来越重要 国产射频的机会在哪里？

　　从Skyworks说起

　　Skyworks是半导体业内射频元器件巨头。近来，随着全球手机制式从3G逐渐转换到4G，Skyworks的业务在不断变强，营收和利润则不断增加。Skyworks的净收入在2015财年达到了32亿美金之后在2016财年保持高位，而毛利润率则在不断攀升，2016财年达到了51%。

　　Skyworks的增长和中国市场密不可分。在之前《最依赖中国市场的十家美国半导体公司》一文中，我们指出Skyworks是最依赖中国市场的美国半导体公司，在2015年中国市场收入占其总收入竟达到了84%。

　　在2016年，Skyworks在中国的收入继续增长。Skyworks在2016财年第四季度财报中表示，它在中国进入了华为，Oppo和Vivo等出货量排名前茅的手机的供应链，由此获得了显著的利润，并且将在未来把注意力集中在满足中国前五手机厂商的需求。

　　Skyworks的中国市场究竟是什么

　　Skyworks在中国的主要收入究竟来自哪里?请看其官方网站上的图片：

　　这是一张华为荣耀手机的拆解图，其中Skyworks的模块在图中都已标出。从图中可见，华为手机中使用的Skyworks模块主要是射频前端模组(FEM)，包括天线调谐器(Antenna Tuner)，射频开关(SKY13xxx系列)，PA模组以及SkyOne系列集成化FEM。这些FEM在一部手机中的价值达到了8美元以上，即每卖出一台这样的手机Skyworks就可以获得8美元的收入。在中国，Skyworks打入了华为，Oppo和Vivo这些手机巨头的供应链，它的FEM业务也跟着这些手机巨大的年出货量(三巨头每一家2016年的年出货量都可望超越7000万台)而赚得钵满盆满。

　　什么是射频前端模块

　　随着CMOS RFIC的普及，越来越多的模块从分立器件转到了集成电路上。然而，有一些器件由于各种各样的原因，目前还无法集成到传统CMOS RFIC上。这些无法集成到RFIC上的射频器件通常称为射频前端模块(RF Frontend Module， RF FEM)。一个完整的商用射频系统包括使用CMOS工艺实现的基带Modem，RFIC收发机，以及由非传统CMOS工艺实现的FEM。FEM离基带较远而离天线较近，这也是FEM器件被称为“前端”的原因。一个典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射频系统架构图如下图所示。

　　一个典型的包含FEM以及RFIC/Modem的射频系统架构图

　　典型的FEM包含如下器件：

　　1. 天线相关的器件：天线调谐器(Antenna Tuner)与天线开关(Antenna Switch)。由于现代射频系统(如手机的射频系统)通常要覆盖多个频带(2G的GSM 900MHz，PCS/DCS 1.7/1.8GHz，3G的2.1GHz，4G TD-LTE的2.6GHz等等)，而每个天线的频率覆盖范围都有限，因此必须使用多组天线来覆盖全部频率，这样就需要天线开关来控制在不同的应用时切换到不同的天线。同时，即使在使用同一组天线时，对于覆盖频带范围内的不同信道频率，天线的特征阻抗也会发生一些变化。为了保证最大功率传输，一般会要求特征阻抗保持在50 Ohm ，这时候就需要天线调谐器帮忙来实现阻抗匹配。对于天线开关，当与发射机配合使用时必须保证足够的线性度(发射机的发射功率可达30 dBm)，而与接收机配合使用时必须保证足够小的衰减，而这些要求一般CMOS工艺很难实现，因此必须使用非CMOS工艺。

　　2. 多路器(diplexer)与收/发开关(T/R Switch)。多路器和收/发开关的目的都是实现收发机与天线信号之间的定向传播。多路器通常用于频分多路(FDM)系统，其中接收机和发射机的载波频率不同，但是可以同时工作。多路器可以将发射机信号耦合到天线，或者将天线信号耦合到接收机，并且将发射机信号与接收机进行隔离以避免接收机链路被发射机干扰。收/发开关则是用于时分多路(TDM)系统，其中在同一时刻接收机和发射机只会有一个在工作，因此需要把接收机或者发射机其中的一个接到天线。多路器与收/发开关都必须满足很高的隔离度与很低得衰减，因此无法用传统CMOS工艺实现。

　　3. 滤波器。滤波器必须能够实现非常陡峭的频率响应曲线，这样才能把频带外信号衰减到足够小，同时噪声和插入损耗必须足够小。滤波器所需的品质因数(Q)非常高，目前主流的实现方案是SAW(表面声波滤波器)与BAW(体声波滤波器)。

　　4.功率放大器(PA)。功率放大器是射频系统的关键模块，它需要把发射机的信号功率放大到足够大(如20dBm)，才能满足通讯协议的要求。随着无线通讯协议的发展，数据率越来越高，同时无线调制方式也越来越复杂，这导致了功率放大器的线性度必须足够好才能满足协议的需求。另一方面，功率放大器的放大效率也不能太差，否则在放大信号的同时会消耗太多电池电量，导致手机一会儿就没电了。CMOS工艺目前还无法实现同时满足线性度和放大效率的功率放大器，因此必须使用其他工艺(如GaAs)来做功率放大器。

　　5.低噪声放大器(LNA)。低噪声放大器是接收机的关键模块，决定了整个接收机的灵敏度。低噪声放大器必须在噪声系数很低的同时满足线性度的需求。目前在中低端射频系统中已经实现将LNA完全集成到RFIC上，但是在高端射频系统(例如在iPhone的一些型号中)还是使用了片外LNA模组以满足系统对于性能的需求。