GSM手機的RF前端繼續向高集成度方向發(fā)展

隨著(zhù)前端模塊(FEMs)到射頻(RF)收發(fā)器模塊相繼投入使用，GSM手機RF前端的整合之路一直在持續發(fā)展。事實(shí)上，早在RF收發(fā)器采用直接轉換或零中頻(ZIF)架構(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(zhù)收發(fā)器架構的演進(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(méi)有任何停止的跡象。不過(guò)，由于集成的途徑非常多，因此在設計時(shí)必須仔細加以考慮。

前進(jìn)中的FEM

FEM集成了天線(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊(ASM)和接收端的RF SAW濾波器。無(wú)源元件通過(guò)低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)集成，而ASM則通常使用PIN型二極管。

ASM和SAW 濾波器供應商是FEM產(chǎn)品的主要推動(dòng)者。FEM可作為分立設計的一個(gè)簡(jiǎn)單替代方案。在雙頻段GSM手機設計中，一個(gè)雙頻段FEM取代了一個(gè)雙頻段ASM和兩個(gè)分立的RF SAW濾波器。FEM不僅節省了設計時(shí)間，還減少了元件數量。

FEM在平臺解決方案中也具有優(yōu)勢。當手機制造商在一個(gè)平臺設計三款手機(如四頻段、三頻段和雙頻段)時(shí)，可以在所有設計中使用四頻段FEM。顯然，四頻段FEM支持四頻段手機，而用于雙頻段手機就顯得有些大材小用。但是，相對于一款手機采用多個(gè)分立元件，使用一種元件可以使平臺的設計流程實(shí)現流程化。

雖然在雙頻段手機設計中使用四頻段FEM的元件成本或許會(huì )高于使用雙頻段FEM或分立元件，但是使用一個(gè)四頻段FEM卻降低了供應鏈成本。如果手機制造商的每款手機都使用不同的FEM，就會(huì )增加額外的生產(chǎn)線(xiàn)上產(chǎn)品種類(lèi)，并要解決相應的管理、貨源以及庫存問(wèn)題。如果手機制造商決定在手機中采用分立解決方案，這些額外的工作量還會(huì )增加。

目前，與分立解決方案相比，FEM可能需要花費一筆額外費用(price premium)，不過(guò)，這取決于客戶(hù)。例如，頂級手機制造商不會(huì )為FEM支付額外費用，而小型公司則需要。

圖1：GSM手機RF前端將繼續沿著(zhù)多種途徑向高集成度方向發(fā)展

FEM正在迅速成為手機設計的優(yōu)先選用方案。隨著(zhù)制造商愈發(fā)意識到FEM帶來(lái)的設計和成本優(yōu)勢，FEM的繁榮景象將持續下去。

其它集成方案

另一個(gè)集成途徑將一個(gè)ASM和功放模塊(PAM)集成在一起，這種方法倍受PAM供應商推崇。這些模塊使用砷化鎵(GaAs)偽同晶高電子遷移晶體管(pHEMT)技術(shù)實(shí)現ASM，使用GaAs異質(zhì)結構雙極晶體管(HBT)技術(shù)實(shí)現PAM，無(wú)源元件的集成直接在GaAs晶圓上實(shí)現。

近日，STMicroelectronics N.V.公司發(fā)布的三頻段RF模塊，集成了RF收發(fā)器、BAW濾波器和ASM。

ST公司使用其稱(chēng)之為IPAD(集成無(wú)源/有源元件)的技術(shù)來(lái)集成無(wú)源元件。另外，該公司還使用了一種層壓(laminate)技術(shù)，可以把RF收發(fā)器、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和BAW濾波器集成在一個(gè)單獨基底上。

ST模塊實(shí)現了關(guān)鍵水平的集成。與僅僅把分立元件放置在PC板上并稱(chēng)其為一個(gè)模塊(就如一些半導體供應商所為)不同，ST公司的產(chǎn)品以一個(gè)高度集成的RF收發(fā)器開(kāi)始，加入集成的無(wú)源和有源元件，最后還整合了微型倒裝片(flip-chip)BAW濾波器。

在ST的RF模塊解決方案中，兆赫茲晶體是一個(gè)唯一需要的主要外部分立元件。但是，Discera等公司目前正在推動(dòng)微機電系統(MEMS)共鳴器，借助其實(shí)現替代或集成大型參考晶體的可能性。

前端集成的未來(lái)走向

如何進(jìn)一步提高前端的集成度呢？顯然，一種途徑是實(shí)現ASM與SAW/BAW 濾波器和RF收發(fā)器的集成；另一種途徑是實(shí)現ASM與SAW/BAW濾波器和PAM的集成。無(wú)論哪種途徑，集成的最終結果都會(huì )產(chǎn)生一種整合所有元件的完整模塊。

設計人員必須仔細考慮實(shí)現最終集成的各種方法，而且一些技術(shù)問(wèn)題也必須認真加以考慮。例如，ASM技術(shù)不外乎就是PIN型二極管或GaAs pHEMT，但這兩項都不易于實(shí)現ASM同濾波器和RF收發(fā)器的集成。另外，在A(yíng)SM-PAM-濾波器模塊中，還存在影響SAW/BAW濾波器熱特性的功放熱耗散問(wèn)題。

目前有多種不同途徑可以實(shí)現手機RF前端的集成，很明顯，集成趨勢還會(huì )持續下去。由于RF子系統的要求并未改變，因此必須簡(jiǎn)化手機的前端部分以便為增加的元件騰出空間，同時(shí)降低基帶成本。

在實(shí)現前端集成的過(guò)程中，時(shí)刻考慮終端用戶(hù)的利益也是非常重要的。在不增加成本的情況下，手機制造商更喜歡流水線(xiàn)型設計，這一點(diǎn)已經(jīng)從FEM的廣泛使用得到了證明。更高集成度的模塊能夠實(shí)現流水線(xiàn)性設計嗎？隨著(zhù)科技的進(jìn)步，相信集成度更高的模塊能夠進(jìn)入手機設計領(lǐng)域，提供更好的流程化和成本節約方案。