手機(jī)射頻技術(shù)和手機(jī)射頻模塊基礎(chǔ)

進(jìn)入移動互聯(lián)網(wǎng)時代，手機(jī)集成了越來越多的RF技術(shù)，比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多個標(biāo)準(zhǔn)的雙模/多模手機(jī)，可實(shí)現(xiàn)VoIP、導(dǎo)航、自動支付、電視接收的Wi-Fi、GPS、RFID、NFC手機(jī)。采用多種RF技術(shù)使手機(jī)的設(shè)計變得越來越復(fù)雜。

手機(jī)射頻技術(shù)和手機(jī)射頻模塊基本構(gòu)成

3G手機(jī)射頻部分由射頻接收和射頻發(fā)送兩部分組成，其主要電路包括天線、無線開關(guān)、接收濾波、頻率合成器、高頻放大、接收本振、混頻、中頻、發(fā)射本振、功放控制、功放等。

總體來說，基本的手機(jī)射頻部分中的關(guān)鍵元件主要包括RF收發(fā)器(Transceiver)，功率放大器(PA)，天線開關(guān)模塊(ASM)，前端模塊(FEM)，雙工器，RF SAW濾波器及合成器等，如圖所示。下面將著重從三個基本部分開始介紹：

圖 手機(jī)射頻模塊基本構(gòu)成圖

手機(jī)射頻模塊功率放大器(PA)

功率放大器(PA)用于將收發(fā)器輸出的射頻信號放大。功率放大器領(lǐng)域是一個有門檻的獨(dú)立的領(lǐng)域，也是手機(jī)里無法集成化的元件，同時這也是手機(jī)中最重要的元件，手機(jī)性能、占位面積、通話質(zhì)量、手機(jī)強(qiáng)度、電池續(xù)航能力都由功率放大器決定。

功率放大器領(lǐng)域主要廠家是RFMD、Skyworks、TriQuint、Renesas、NXP、Avago、ANADIGICS?，F(xiàn)在，原本是PA企業(yè)合作伙伴的高通，也直接加入到PA市場中，將在2013年下半年推出以CMOS制程生產(chǎn)的PA，支持LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、EV-DO、CDMA 1x、TD-SCDMA與GSM/EDGE七種模式，頻譜將涵蓋全球使用中的逾40個頻段，以多頻多模優(yōu)勢宣布進(jìn)軍PA產(chǎn)業(yè)。

PA市場經(jīng)歷了LDMS PA“擂主”時代之后，砷化鎵(GaAs)PA成為3G時代PA市場的“擂主”。當(dāng)年帶領(lǐng)砷化鎵攻打PA市場的TriQuint正在積極布局砷化鎵的藍(lán)圖，針對3G/4G智能手機(jī)擴(kuò)展連接推出高效率多頻多模功率放大器MMPA。

而高通以CMOS PA攻擂PA市場，未來PA可能會成為手機(jī)平臺的一部分，并會出現(xiàn)手機(jī)芯片平臺企業(yè)收購、兼并PA企業(yè)的現(xiàn)象。

如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業(yè)界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構(gòu)，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構(gòu)則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的手機(jī)。融合架構(gòu)，PA的集成度高，對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu)勢，5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點(diǎn)是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當(dāng)復(fù)雜，并且PA集成時有開關(guān)損耗，性能會受影響。而對于后一種架構(gòu)，性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節(jié)省幾十毫安電流，相當(dāng)于延長15%的通話時間。所以，業(yè)內(nèi)人士的建議是，大于6個頻段時（不算2G，指3G和4G）采用融合架構(gòu)，而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供兩種架構(gòu)的方案，RFMD主要偏向于融合PA的架構(gòu)，Skyworks偏向于多頻PAD方案。

手機(jī)射頻模塊RF收發(fā)器　　

收發(fā)器是手機(jī)射頻的核心處理單元，主要包括收信單元和發(fā)信單元，前者完成對接收信號的放大，濾波和下變頻最終輸出基帶信號。通常采用零中頻和數(shù)字低中頻的方式實(shí)現(xiàn)射頻到基帶的變換;后者完成對基帶信號的上變頻、濾波、放大。主要采用二次變頻的方式實(shí)現(xiàn)基帶信號到射頻信號的變換。當(dāng)射頻/中頻(RF/IF)IC接收信號時，收信單元接受自天線的信號(約800Hz～3GHz)經(jīng)放大、濾波與合成處理后，將射頻信號降頻為基帶，接著是基帶信號處理;而RF/IFIC發(fā)射信號時，則是將20KHz以下的基帶，進(jìn)行升頻處理，轉(zhuǎn)換為射頻頻帶內(nèi)的信號再發(fā)射出去。

前些年收發(fā)器領(lǐng)域廠家分為兩大類，一類是依托基頻平臺，將收發(fā)器作為平臺的一部分，如高通、NXP、飛思卡爾和聯(lián)發(fā)科。這是因?yàn)槭瞻l(fā)器與基頻的關(guān)系非常密切，兩者通常需要協(xié)同設(shè)計。另一類是專業(yè)的射頻廠家，不依靠基頻平臺來拓展收發(fā)器市場，如英飛凌、意法半導(dǎo)體、和Skyworks。

隨著收發(fā)器向集成化和多?；l(fā)展，單模的收發(fā)器已經(jīng)完全集成到基頻里。不同頻段和制式的射頻前端器件也一直在以不同的方式集生產(chǎn)。分立的RF收發(fā)器越來越少見。

手機(jī)射頻前端模塊(FEM)

前端模塊集成了開關(guān)和射頻濾波器，完成天線接收和發(fā)射的切換、頻段選擇、接收和發(fā)射射頻信號的濾波。在2GHz以下的頻段，許多射頻前端模塊以互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)、雙極結(jié)型晶體管 (BJT)、硅鍺 (SiGe)或Bipolar CMOS等硅集成電路制程設(shè)計，逐漸形成主流。由于硅集成電路具有成熟的制程，足以設(shè)計龐大復(fù)雜的電路，加上可以與中頻與基頻電路一起設(shè)計，因而有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＦ渌愘|(zhì)結(jié)構(gòu)晶體管亦在特殊用途的電路嶄露頭角;然而在5GHz以上的頻段，它在低噪聲特性、高功率輸出、功率增加效率的表現(xiàn)均遠(yuǎn)較砷化鎵場效晶體管遜色，現(xiàn)階段砷化鎵場效晶體管制程仍在電性功能的表現(xiàn)上居優(yōu)勢。射頻前端模塊電路設(shè)計以往均著重功率放大器的設(shè)計，追求低電壓操作、高功率輸出、高功率增加效率，以符合使用低電壓電池，藉以縮小體積，同時達(dá)到省電的要求。功率增加效率與線性度往往無法兼顧，然而在大量使用數(shù)字調(diào)變技術(shù)下，如何保持良好的線性度，成為必然的研究重點(diǎn)。

比如，2013年初出現(xiàn)的高集成智能手機(jī)前端模塊，除了覆蓋傳統(tǒng)的GSM850、900、1800和1900 MHz頻段以外，還涵蓋WCDMA 第1、2、4和5頻段，以及LTE第2、4、5和17頻段。除三個聲表面波濾波器和五個雙工器以外，該模塊還包含頻段選擇開關(guān)和解碼器，同時在天線輸出端還帶有可防護(hù)高達(dá)4 kV的ESD保護(hù)電路。

手機(jī)RF模塊發(fā)展趨勢

隨著手機(jī)制造商繼續(xù)開發(fā)支持更多的頻段和精簡射頻架構(gòu)的手機(jī)，將3G手機(jī)中使用的GSM、EDGE、WCDMA和HSPA等多種頻段和空中接口模塊整合在一個高度集成、經(jīng)過優(yōu)化的RF模塊中，已經(jīng)成為3G手機(jī)設(shè)計射頻方案的首選。

手機(jī)中的射頻(RF)前端將越來越多地采用集成模塊，因?yàn)樗梢允棺酉到y(tǒng)簡化、成本下降和尺寸縮小，為手機(jī)增加新功能、節(jié)省提供空間，并為實(shí)現(xiàn)單芯片前端解決方案創(chuàng)造條件。隨著前端模塊(FEMs)到射頻(RF)收發(fā)器模塊相繼投入使用，手機(jī)RF前端的整合之路一直在持續(xù)發(fā)展。事實(shí)上，早在RF收發(fā)器采用直接轉(zhuǎn)換或零中頻(ZIF)架構(gòu)(先消除中頻段，隨后消除IF聲表面波濾波器)的時候，前端集成就已經(jīng)開始了。隨著收發(fā)器架構(gòu)的演進(jìn)，外部合成元件(即電壓控制振蕩器和鎖相環(huán))已經(jīng)被直接集成在收發(fā)器的芯片中。高集成度實(shí)現(xiàn)了成本的降低以及電路板尺寸的減小。向高集成度發(fā)展的趨勢沒有任何停止的跡象。不過，由于集成的途徑非常多，因此在設(shè)計時必須仔細(xì)加以考慮。

高通推出PA，完善其平臺化手機(jī)解決方案就是一個集成化的例子。此前手機(jī)平臺方案主要包括手機(jī)基帶芯片、應(yīng)用處理器、射頻芯片、電源管理以及連接芯片，PA沒有在平臺方案內(nèi)，而是有其單獨(dú)的供應(yīng)商。高通推出PA，更多的是想使其解決方案更趨‘平臺化’。