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手機(jī)射頻技術(shù)和手機(jī)射頻模塊基礎(chǔ)解讀

發(fā)布時(shí)間:2013-07-03 來(lái)源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯:Cynthiali

【導(dǎo)讀】手機(jī)在向雙模/多模發(fā)展的同時(shí)集成了越來(lái)越多的RF技術(shù)。手機(jī)射頻模塊有哪些基本構(gòu)成?它們又將如何集成?RF收發(fā)器,功率放大器,天線開(kāi)關(guān)模塊,前端模塊,雙工器,SAW濾波器……跟著本文,來(lái)一一認(rèn)識(shí)手機(jī)射頻技術(shù)和射頻模塊的關(guān)鍵元件們吧!

進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,手機(jī)集成了越來(lái)越多的RF技術(shù),比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙模/多模手機(jī),可實(shí)現(xiàn)VoIP、導(dǎo)航、自動(dòng)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(jì)變得越來(lái)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(wú)線開(kāi)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(lái)說(shuō),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(kāi)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(gè)基本部分開(kāi)始介紹:

                 圖 手機(jī)射頻模塊基本構(gòu)成圖
                                                        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(hào)放大。功率放大器領(lǐng)域是一個(gè)有門檻的獨(dú)立的領(lǐng)域,也是手機(jī)里無(wú)法集成化的元件,同時(shí)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(chǎng)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(gè)頻段,以多頻多模優(yōu)勢(shì)宣布進(jìn)軍PA產(chǎn)業(yè)。

PA市場(chǎng)經(jīng)歷了LDMS PA“擂主”時(shí)代之后,砷化鎵(GaAs)PA成為3G時(shí)代PA市場(chǎng)的“擂主”。當(dāng)年帶領(lǐng)砷化鎵攻打PA市場(chǎng)的TriQuint正在積極布局砷化鎵的藍(lán)圖,針對(duì)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(chǎng),未來(lái)PA可能會(huì)成為手機(jī)平臺(tái)的一部分,并會(huì)出現(xiàn)手機(jī)芯片平臺(tái)企業(yè)收購(gòu)、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(hào)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(duì)于3個(gè)以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu)勢(shì),5-7個(gè)頻帶時(shí)還巨有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。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(shí)有開(kāi)關(guān)損耗,性能會(huì)受影響。而對(duì)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(zhǎng)15%的通話時(shí)間。所以,業(yè)內(nèi)人士的建議是,大于6個(gè)頻段時(shí)(不算2G,指3G和4G)采用融合架構(gòu),而小于四個(gè)頻段時(shí)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(duì)接收信號(hào)的放大,濾波和下變頻最終輸出基帶信號(hào)。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(duì)基帶信號(hào)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(hào)到射頻信號(hào)的變換。當(dāng)射頻/中頻(RF/IF)IC接收信號(hào)時(shí),收信單元接受自天線的信號(hào)(約800Hz~3GHz)經(jīng)放大、濾波與合成處理后,將射頻信號(hào)降頻為基帶,接著是基帶信號(hào)處理;而RF/IFIC發(fā)射信號(hào)時(shí),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(hào)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(tái),將收發(fā)器作為平臺(tái)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(jì)。另一類是專業(yè)的射頻廠家,不依靠基頻平臺(tái)來(lái)拓展收發(fā)器市場(chǎng),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(lái)越少見(jiàn)。

手機(jī)射頻前端模塊(FEM)

前端模塊集成了開(kāi)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(hào)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(jì),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(jì)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(jì),因而有極大的發(fā)展?jié)摿?。其它異質(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(chǎng)效晶體管遜色,現(xiàn)階段砷化鎵場(chǎng)效晶體管制程仍在電性功能的表現(xiàn)上居優(yōu)勢(shì)。射頻前端模塊電路設(shè)計(jì)以往均著重功率放大器的設(shè)計(jì),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(shí)達(dá)到省電的要求。功率增加效率與線性度往往無(wú)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(gè)聲表面波濾波器和五個(gè)雙工器以外,該模塊還包含頻段選擇開(kāi)關(guān)和解碼器,同時(shí)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(shì)

隨著手機(jī)制造商繼續(xù)開(kāi)發(fā)支持更多的頻段和精簡(jiǎn)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(gè)高度集成、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的RF模塊中,已經(jīng)成為3G手機(jī)設(shè)計(jì)射頻方案的首選。

手機(jī)中的射頻(RF)前端將越來(lái)越多地采用集成模塊,因?yàn)樗梢允棺酉到y(tǒng)簡(jiǎn)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(shí)候,前端集成就已經(jīng)開(kāi)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(shì)沒(méi)有任何停止的跡象。不過(guò),由于集成的途徑非常多,因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)加以考慮。

高通推出PA,完善其平臺(tái)化手機(jī)解決方案就是一個(gè)集成化的例子。此前手機(jī)平臺(tái)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(méi)有在平臺(tái)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(tái)化’。

近幾年來(lái),聚焦射頻(RF)技術(shù),提供射頻模塊最新動(dòng)態(tài)的網(wǎng)站也越來(lái)越多。比如mouser 2013年初推出的射頻無(wú)線技術(shù)網(wǎng)站http://www.mouser.cn/applications/rf-wireless-technology/幫助設(shè)計(jì)工程師挑選無(wú)線電頻率經(jīng)驗(yàn)證的最新集成解決方案和即插即用模塊,并即時(shí)為現(xiàn)有應(yīng)用增加無(wú)線功能。該解決方案中心匯聚了來(lái)自Skyworks、Murata、Panasonic和TexasInstruments等業(yè)界領(lǐng)先的制造商提供的最新射頻模塊。這些射頻解決方案同時(shí)按頻率范圍(1GHz以下、1-5GHz和5GHz以上)和協(xié)議(藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi和GPS)兩種方式分類。
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