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如何卡住5G功能的脖子?一文讀懂智能手機的射頻子產品

我們都知道,智能手機的體驗取決于其搭載的SoC移動平台,後者又是由CPU、GPU、ISP、NPU和Modem(基帶,又稱Baseband)等單元構成。

如果問是誰在影響一款智能手機上網時的網速、延遲和穩定性?相信很多朋友的答案都是基帶。

但是,基帶卻并非影響網絡性能的唯一,射頻+天線子產品,也是讓手機盡情網上沖浪的幕後功臣。

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理論上講,完整的射頻子產品包含“射頻+天線”,但為了便于了解我們還是将它們拆分為兩個部分。如果你對手機的天線設計感興趣,可參考《5G手機靠基帶還不夠!天線設計也得做手術!》這篇文章,本文我們則将目鎖定在射頻子產品上。

先從華為手機談起

去年華為推出了一系列新款4G手機,包括Mate 40 4G、Mate X2 4G和nova 8i(搭載骁龍662)等,相比5G版的首發價便宜了不少。

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麒麟9000內建巴龍5000基帶

看到這裡,估計不少朋友會産生一個疑問——麒麟9000最大的特色就是內建5G基帶,理論上應該可以原生支援5G,那搭載它的新款手機為啥僅支援4G呢?難道把5G基帶給“閹割”了?

再看一個奇怪的現象

如今市售的熱門5G SoC中,除了骁龍865/骁龍870需要外挂骁龍X55基帶以外,其他的晶片幾乎都直接整合了5G基帶。

問題又來了,都是搭載同一顆SoC的智能手機,為什麼有些型号的網速更快更穩定,有些型号的網絡體驗卻又非常差勁兒呢?

難道同款基帶還有強弱之别?

手機5G網絡的“快遞部”

一款手機要想激活5G網絡,不僅需要5G基帶,還需要5G射頻子產品和配套的5G天線子產品,而它們也恰好可以組建成一個“快遞部門”。

其中,基帶扮演的角色是快遞站點的“打包/拆包”,負責将模拟信号通過AD數模轉換電路,完成采樣、量化、編碼,變成數字信号(可以了解為把聲音、畫面變成0和1);射頻子產品扮演的角色是快遞包裹的分揀,将基帶送過來的數字信号進行調制,比如濾波、放大、解調和解碼等;天線子產品則是負責将調制的信号發送出去,就好比快遞員,隻是收件人為營運商建設的基站。

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需要注意的是,上述的快遞流程是可逆的。

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比如,作為收件人的基站也能選擇發件,經由天線這個快遞員接收後,經過射頻子產品的分揀,最終再由基帶将打包的數字信号還原成模拟信号,把無數個0、1重新變回聲音和畫面被使用者感覺。

易被忽略的射頻子產品

5G射頻子產品的關鍵詞是“子產品”,它并非一顆晶片,而是一批晶片和元件的集合。

一般情況下,當我們看到手機的拆機圖檔後,最為關心的通常是PCB主機闆上醒目的CPU(SoC)、記憶體、閃存、基帶和電源管理等主要晶片。

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你以為這些晶片很多嗎?那當你看到數量更多更複雜的射頻子產品相關晶片後,是否有種“密集恐懼症”的既視感呢?

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圖裡圈中的晶片全部屬于射頻子產品範疇

射頻子產品作為超複雜的晶片矩陣,少了其中的任何一顆晶片或元器件,都有可能導緻網絡功能(如5G)受限。

華為雖然在基帶晶片的研發和性能方面達到了業界一流水準,但在射頻子產品領域卻依舊依賴于其他供應商。由于衆所周知的原因,華為的部分供應鍊被“卡脖子”,在5G相關射頻晶片的缺失下,華為手機在2021年重新開機4G也就在情理之中了。

射頻子產品的基本構成

射頻的英文名是Radio Frequency,也就是我們經常念叨的“RF”,在手機領域屬于具備遠距離傳輸高頻電磁波能力的功能子產品。

一般來說,完整的射頻子產品包含射頻收發器、射頻前端和天線三個部分。其中射頻前端又包括功率放大器、包絡追蹤器、低噪聲放大器、濾波器、天線開關、天線調諧器等多個元件。

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射頻子產品的工作原理非常複雜,限于篇幅我們就不展開詳細的介紹了。

簡單來說,從基帶晶片發送過來的信号頻率很低,射頻子產品的主要任務,就是對這個信号進行調制,将低頻調制到諸如GSM的900MHz頻段、4G LTE的1.9GHz頻段或5G的3.5GHz頻段等。此時,雖然信号頻率提高了,但依舊存在功率較小的問題,需要用功率放大器使其獲得足夠的射頻功率,然後才會送到天線,再經濾波器消除幹擾雜波,最終通過天線振子發射出去。

射頻子產品的其他元件也各司其職,比如射頻天線開關用于控制天線的啟用與關閉,而天線調諧器則可通過“擺弄”天線,獲得最佳的收發效果。同配置智能手機之間之是以存在4G/5G信号強弱有别的問題,就是射頻子產品(包括天線)的布局設計和相關晶片元件的實際性能,如果手機廠商在這方面壓縮成本,結果往往就是支援頻段少,穿牆能力差,容易出現丢包、延遲、斷網和卡頓等問題。

高通的“交鑰匙”模式

在2G手機時代,聯發科用“交鑰匙”模式(聯發科提供完整的晶片和配套系統和軟體的整合,OEM廠商隻需微調手機外觀和系統界面再找個代工廠生産就能直接上市)橫掃千軍,并是以博得“山寨機之父”的美譽。在5G手機時代,高通的射頻系統也走在了“交鑰匙”的道路上。

前文我們已經提到了,5G射頻子產品長期都被Broadcom、Skywork、Qorvo、AVAGO、muRata等廠商壟斷,手機廠商在購買高通骁龍、聯發科天玑等SoC和配套(或整合其中)的基帶以外,還需要購買很多來自第三方的射頻收發器以及射頻前端的無數顆晶片,再結合複雜的天線矩陣,才能實作完整的3G/4G/5G網絡功能。

由A廠造基帶、B廠造射頻、C廠造天線,最後再由手機D廠完成最終的整合和對接,這種分散式的流程太過複雜,充滿不确定性,想讓來自不同廠商的晶片之間完美協同難度極高。

高通憑借其在基帶晶片領域的技術和專利優勢,已經成為了全球最大的基帶晶片供應商,全球幾乎所有的Android手機廠商都有采用高通骁龍移動平台和骁龍基帶晶片。與此同時,高通還為射頻前端提供端到端的解決方案,包括功率放大器、濾波器、射頻收發器和天線調諧器,這意味着從基帶到天線都可以使用高通的元件建構。

如何卡住5G功能的脖子?一文讀懂智能手機的射頻子產品

和分散式的5G子產品相比,高通的內建式5G子產品還有利于縮減系統的最終尺寸,減少對手機空間的占用。此外,這些擁有“血緣關系”的晶片矩陣,可以實作更深層次的優化整合,帶來諸如寬帶包絡追蹤(ET)、AI輔助信号增強技術、多載波優化、去耦調諧、多SIM卡增強并發等技術和功能。

如何卡住5G功能的脖子?一文讀懂智能手機的射頻子產品

我們不妨參考一下三星美國Verizon版三星Galaxy Note 20 5G UW的拆機圖檔,該産品從基帶到天線的大量元件,包括幾個功率放大器(如QPM5625)、包絡追蹤器(1個QET6100和2個QET5100子產品等)和分級子產品均來自高通。為了實作對毫米波的支援,該産品還内置2個高通最新的QTM535毫米波天線模組,後者在非常緊湊的尺寸中內建了天線、射頻前端和收發器等部件。

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國産化的分點突破

随着通信技術的持續疊代,需要的資金和技術投入越來越大,市場競争日趨激烈,射頻前端市場的玩家也在不斷的并購當中越來越少,國産射頻前端廠商存在感很低。長期以來,我們都缺少能像高通那般提供一攬子交鑰匙模式的國産供應商。

好消息是,能在5G射頻前端市場進行分點突破的國産廠商越來越多,比如國産5G SAW濾波器廠商主要就有天津諾思和開元通信等,國産5G PA功率放大器模組也形成了慧智微、唯捷創芯、銳石創芯以及昂瑞微為代表的多強格局,據悉華為将在2022年上市的新款旗艦機将回歸5G序列,可見其已經解決了5G射頻方面的晶片被卡脖子的問題。

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