【導(dǎo)讀】手機(jī)在向雙模/多模發(fā)展的同時(shí)集成了越來越多的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，天線開關(guān)模塊，前端模塊，雙工器，SAW濾波器……跟著本文，來一一認(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(gè)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(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(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(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(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，聚焦射頻（RF）技術(shù)，提供射頻模塊最新動(dòng)態(tài)的網(wǎng)站也越來越多。比如mouser 2013年初推出的射頻無線技術(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)用增加無線功能。該解決方案中心匯聚了來自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。
