手机射频技术和手机射频模块构成简介 - 全文

　　进入移动互联网时代，手机集成了越来越多的RF技术，比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多个标准的双模/多模手机，可实现VoIP、导航、自动支付、电视接收的Wi-Fi、GPS、RFID、NFC手机。采用多种RF技术使手机的设计变得越来越复杂。

　　手机射频技术和手机射频模块基本构成

　　3G手机射频部分由射频接收和射频发送两部分组成，其主要电路包括天线、无线开关、接收滤波、频率合成器、高频放大、接收本振、混频、中频、发射本振、功放控制、功放等。

　　总体来说，基本的手机射频部分中的关键元件主要包括RF收发器（Transceiver），功率放大器（PA），天线开关模块（ASM），前端模块（FEM），双工器，RF SAW滤波器及合成器等，如图所示。下面将着重从三个基本部分开始介绍：

　　

　　图 手机射频模块基本构成图

　　手机射频模块功率放大器（PA）

　　功率放大器（PA）用于将收发器输出的射频信号放大。功率放大器领域是一个有门槛的独立的领域，也是手机里无法集成化的元件，同时这也是手机中最重要的元件，手机性能、占位面积、通话质量、手机强度、电池续航能力都由功率放大器决定。

　　功率放大器领域主要厂家是RFMD、Skyworks、TriQuint、Renesas、NXP、Avago、ANADIGICS。现在，原本是PA企业合作伙伴的高通，也直接加入到PA市场中，将在2013年下半年推出以CMOS制程生产的PA，支持LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、EV-DO、CDMA 1x、TD-SCDMA与GSM/EDGE七种模式，频谱将涵盖全球使用中的逾40个频段，以多频多模优势宣布进军PA产业。

　　PA市场经历了LDMS PA“擂主”时代之后，砷化镓（GaAs）PA成为3G时代PA市场的“擂主”。当年带领砷化镓攻打PA市场的TriQuint正在积极布局砷化镓的蓝图，针对3G/4G智能手机扩展连接推出高效率多频多模功率放大器MMPA。

　　而高通以CMOS PA攻擂PA市场，未来PA可能会成为手机平台的一部分，并会出现手机芯片平台企业收购、兼并PA企业的现象。

　　如何集成这些不同频段和制式的功率放大器是业界一直在研究的重要课题。目前有两种方案：一种是融合架构，将不同频率的射频功率放大器PA集成；另一种架构则是沿信号链路的集成，即将PA与双工器集成。两种方案各有优缺点，适用于不同的手机。融合架构，PA的集成度高，对于3个以上频带巨有明显的尺寸优势，5-7个频带时还巨有明显的成本优势。缺点是虽然PA集成了，但是双工器仍是相当复杂，并且PA集成时有开关损耗，性能会受影响。而对于后一种架构，性能更好，功放与双功器集成可以提升电流特性，大约可以节省几十毫安电流，相当于延长15%的通话时间。所以，业内人士的建议是，大于6个频段时（不算2G，指3G和4G）采用融合架构，而小于四个频段时采用PA与双工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供两种架构的方案，RFMD主要偏向于融合PA的架构，Skyworks偏向于多频PAD方案。

　　手机射频模块RF收发器

　　收发器是手机射频的核心处理单元，主要包括收信单元和发信单元，前者完成对接收信号的放大，滤波和下变频最终输出基带信号。通常采用零中频和数字低中频的方式实现射频到基带的变换;后者完成对基带信号的上变频、滤波、放大。主要采用二次变频的方式实现基带信号到射频信号的变换。当射频/中频（RF/IF）IC接收信号时，收信单元接受自天线的信号（约800Hz～3GHz）经放大、滤波与合成处理后，将射频信号降频为基带，接着是基带信号处理;而RF/IFIC发射信号时，则是将20KHz以下的基带，进行升频处理，转换为射频频带内的信号再发射出去。

　　前些年收发器领域厂家分为两大类，一类是依托基频平台，将收发器作为平台的一部分，如高通、NXP、飞思卡尔和联发科。这是因为收发器与基频的关系非常密切，两者通常需要协同设计。另一类是专业的射频厂家，不依靠基频平台来拓展收发器市场，如英飞凌、意法半导体、和Skyworks。

　　随着收发器向集成化和多模化发展，单模的收发器已经完全集成到基频里。不同频段和制式的射频前端器件也一直在以不同的方式集生产。分立的RF收发器越来越少见。

　　手机射频前端模块（FEM）

　　前端模块集成了开关和射频滤波器，完成天线接收和发射的切换、频段选择、接收和发射射频信号的滤波。在2GHz以下的频段，许多射频前端模块以互补金属氧化物半导体 （CMOS）、双极结型晶体管 （BJT）、硅锗 （SiGe）或Bipolar CMOS等硅集成电路制程设计，逐渐形成主流。由于硅集成电路具有成熟的制程，足以设计庞大复杂的电路，加上可以与中频与基频电路一起设计，因而有极大的发展潜力。其它异质结构晶体管亦在特殊用途的电路崭露头角;然而在5GHz以上的频段，它在低噪声特性、高功率输出、功率增加效率的表现均远较砷化镓场效晶体管逊色，现阶段砷化镓场效晶体管制程仍在电性功能的表现上居优势。射频前端模块电路设计以往均着重功率放大器的设计，追求低电压操作、高功率输出、高功率增加效率，以符合使用低电压电池，藉以缩小体积，同时达到省电的要求。功率增加效率与线性度往往无法兼顾，然而在大量使用数字调变技术下，如何保持良好的线性度，成为必然的研究重点。

　　

　　比如，2013年初出现的高集成智能手机前端模块，除了覆盖传统的GSM850、900、1800和1900 MHz频段以外，还涵盖WCDMA 第1、2、4和5频段，以及LTE第2、4、5和17频段。除三个声表面波滤波器和五个双工器以外，该模块还包含频段选择开关和解码器，同时在天线输出端还带有可防护高达4 kV的ESD保护电路。

　　手机RF模块发展趋势

　　随着手机制造商继续开发支持更多的频段和精简射频架构的手机，将3G手机中使用的GSM、EDGE、WCDMA和HSPA等多种频段和空中接口模块整合在一个高度集成、经过优化的RF模块中，已经成为3G手机设计射频方案的首选。

　　手机中的射频（RF）前端将越来越多地采用集成模块，因为它可以使子系统简化、成本下降和尺寸缩小，为手机增加新功能、节省提供空间，并为实现单芯片前端解决方案创造条件。随着前端模块（FEMs）到射频（RF）收发器模块相继投入使用，手机RF前端的整合之路一直在持续发展。事实上，早在RF收发器采用直接转换或零中频（ZIF）架构（先消除中频段，随后消除IF声表面波滤波器）的时候，前端集成就已经开始了。随着收发器架构的演进，外部合成元件（即电压控制振荡器和锁相环）已经被直接集成在收发器的芯片中。高集成度实现了成本的降低以及电路板尺寸的减小。向高集成度发展的趋势没有任何停止的迹象。不过，由于集成的途径非常多，因此在设计时必须仔细加以考虑。

　　高通推出PA，完善其平台化手机解决方案就是一个集成化的例子。此前手机平台方案主要包括手机基带芯片、应用处理器、射频芯片、电源管理以及连接芯片，PA没有在平台方案内，而是有其单独的供应商。高通推出PA，更多的是想使其解决方案更趋‘平台化’。