手機射頻技術(shù)及最新發(fā)展趨勢

近年來(lái)隨著(zhù)電子技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的功能集成到手機中。為隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò )下載各種音視頻內容、接收電視節目等等，手機將集成越來(lái)越多的RF 技術(shù)，例如支持GSM、GPRS、EDGE、HSDPA、CDMA2000、WCMDA、TD-SCDMA等移動(dòng)通信空中接口標準中的兩個(gè)或者多個(gè)標準的雙模/多模手機，可分別實(shí)現VoIP、定位導航、自動(dòng)費用支付、電視節目接收的Wi-Fi手機、GPS手機、RFID手機、電視手機。這些采用多種RF技 術(shù)的手機在提供便利的同時(shí)也使得手機的設計變得復雜，如何進(jìn)一步集成射頻元件也變得至關(guān)重要。

手機射頻單元基本構成

手機的射頻部分中的關(guān)鍵元件主要包括RF收發(fā)器（Transceiver），功率放大器（PA），天線(xiàn)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(zhù)重從三個(gè)基本部分開(kāi)始介紹：

手機射頻單元基本構成圖

RF收發(fā)器

收 發(fā)器是手機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字低中頻的方 式實(shí)現射頻到基帶的變換；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)現基帶信號到射頻信號的變換。當射頻/中頻(RF /IF)IC接收信號時(shí)，收信單元接受自天線(xiàn)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(zhù)是基帶信號處理；而 RF/IFIC發(fā)射信號時(shí)，則是將20KHz以下的基帶，進(jìn)行升頻處理，轉換為射頻頻帶內的信號再發(fā)射出去。

收發(fā)器領(lǐng)域廠(chǎng)家分為兩大類(lèi)，一 類(lèi)是依托基頻平臺，將收發(fā)器作為平臺的一部分，如高通和聯(lián)發(fā)科（之前的德州儀器、NXP、飛思卡爾等已退出手機射頻收發(fā)器市場(chǎng)）。這是因為收發(fā)器與基頻的 關(guān)系非常密切，兩者通常需要協(xié)同設計。另一類(lèi)是專(zhuān)業(yè)的射頻廠(chǎng)家，不依靠基頻平臺來(lái)拓展收發(fā)器市場(chǎng)，如英飛凌、意法半導體、RFMD和SKYWORKS。后 一類(lèi)廠(chǎng)家中英飛凌和意法半導體都是為諾基亞定做收發(fā)器，英飛凌還為曾摩托羅拉和索尼愛(ài)立信定做3G時(shí)代的收發(fā)器。意法半導體的手機射頻業(yè)務(wù)則是全部圍繞諾 基亞展開(kāi)，沒(méi)有任何對外銷(xiāo)售的產(chǎn)品，只有諾基亞一個(gè)客戶(hù)。

收發(fā)器正朝集成化和多?；斑M(jìn)，集成化是因為手機行家對持續降低成本的要求，絕大 多數的廠(chǎng)家的收發(fā)器半導體制造工藝已轉換為RF CMOS，單模的收發(fā)器完全集成到基頻里。SILICON LAB和英飛凌是最早用CMOS工藝制造收發(fā)器的公司。高通在收購Berkana后，也大力采用RF CMOS工藝。一批新進(jìn)射頻廠(chǎng)家無(wú)一例外都采用RF CMOS工藝，甚至是最先進(jìn)的65納米RF CMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導體和瑞薩仍然堅持用傳統工藝，主要是SiGe BiCMOS 工藝，諾基亞仍然大量使用意法半導體的射頻收發(fā)器。不過(guò)意法半導體在合并了NXP和愛(ài)立信移動(dòng)平臺后推出基頻的能力大大增強。多?；菍S(chǎng)家能力的挑戰， 未來(lái)的3G、4G手機很有可能多模，支持WCDMA、LTE和WIMAX等多種技術(shù)標準，而實(shí)力不濟的廠(chǎng)家將會(huì )出局。

功率放大器（PA）

PA 用于將收發(fā)器輸出的射頻信號放大，通常有三種實(shí)現方式：分立晶體管電路、單片微波集成電路（MMIC）和功率放大器模塊（PAM），分立電路是最古老也是 最便宜的解決方案，至今仍在廣泛應用，一般選用的是成本較低的硅雙極器件。其主要缺點(diǎn)是手機制造商必須擁有豐富的射頻電路設計經(jīng)驗，能自己完成PA的設 計。因此對于超過(guò)1Ghz以上的系統的PA的快速開(kāi)發(fā)，分立電路缺乏吸引力。而這正是MMIC的優(yōu)勢所在，MMIC過(guò)去采用GaAs MESFET制造，現在多采用砷化鎵異質(zhì)結雙極晶體管(GaAs HBT)工藝制造。在MMIC方案中，輸入一般不集成在芯片中，要求手機制造商掌握的射頻電路設計知識比較少。然而MMIC仍不能提供所有的功放功能，價(jià) 格和效率在實(shí)際應用中也經(jīng)常被必需的外部匹配元件而抵消。PAM則提供的是完全的射頻功能，采用功放模塊，手機制造商僅需要很少的射頻知識，從而最終降低 了功放的成本。目前市面上的PAM采用的有雙極硅、LDMOS(橫向擴散金屬氧化硅)或GaAsHBT工藝，PAM的主要優(yōu)點(diǎn)是可以結合不同的技術(shù)，從而 容易增加新的功能。

功率放大領(lǐng)域則是一個(gè)有門(mén)檻的獨立的領(lǐng)域，也是手機里無(wú)法集成化的元件，同時(shí)這也是手機中最重要的元件，手機的通話(huà)質(zhì) 量、信號接收能力、電池續航能力都由功率放大器決定。一般廠(chǎng)家選定功率放大器之后，更換供應商的可能非常非常小。功率放大器領(lǐng)域主要廠(chǎng)家是RFMD、 SKYWORKS、RENESAS、NXP、AVAGO、TRIQUINT、ANADIGICS。

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(xiàn)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金屬氧化 物半導體 （CMOS）、雙極結型晶體管 （BJT）、硅鍺 （SiGe）或Bipolar CMOS等硅集成電路制程設計，逐漸形成主流。由于硅集成電路具有成熟的制程，足以設計龐大復雜的電路，加上可以與中頻與基頻電路一起設計，因而有極大的 發(fā)展潛力。其它異質(zhì)結構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均遠較砷化鎵場(chǎng)效 晶體管遜色，現階段砷化鎵場(chǎng)效晶體管制程仍在電性功能的表現上居優(yōu)勢。射頻前端模塊電路設計以往均著(zhù)重功率放大器的設計，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(shí)達到省電的要求。功率增加效率與線(xiàn)性度往往無(wú)法兼顧，然而在大量使用數字調變技術(shù)下，如何保持良 好的線(xiàn)性度，成為必然的研究重點(diǎn)。

手機RF模塊發(fā)展趨勢

隨著(zhù)手機制造商繼續開(kāi)發(fā)支持更多的頻段和精簡(jiǎn)射頻架構的手機，將3G手機中使用的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手機設計射頻方案的首選。

據 iSuppli預測，手機中的射頻(RF)前端將越來(lái)越多地采用集成模塊，因為它可以使子系統簡(jiǎn)化、成本下降和尺寸縮小，為手機增加新功能、節省提供空 間，并為實(shí)現單芯片前端解決方案創(chuàng )造條件。隨著(zhù)前端模塊(FEMs)到射頻(RF)收發(fā)器模塊相繼投入使用，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。

幾年前，TriQuint公司意識到高集成模塊為客戶(hù)帶來(lái) 的好處并且開(kāi)始構建和調整產(chǎn)品以滿(mǎn)足此需要，通過(guò)自身發(fā)展和并購增強了自身專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力，進(jìn)而掌握了業(yè)界最全面的室內技術(shù)組合并實(shí)現了最高水平的集成。 TriQuint亞太區銷(xiāo)售總裁RichardLin說(shuō)道，“我們是市場(chǎng)上唯一的能夠提供集成放大器(PA)、開(kāi)關(guān)、低通濾波器、功率放大器和開(kāi)關(guān)控制器 產(chǎn)品的廠(chǎng)商，TriQuint公司的戰略就是模塊化，模塊化的產(chǎn)品尤其受中國客戶(hù)的歡迎。這也是我們公司近年來(lái)高速成長(cháng)的主要原因，去年TriQuint 在中國的業(yè)務(wù)成長(cháng)超過(guò)了30％。”他認為高度集成的模塊化RF符合了客戶(hù)需求的變化，代表了未來(lái)的發(fā)展方向。另外從市場(chǎng)需求來(lái)看，Richard Lin認為RF領(lǐng)域呈現兩極化方向發(fā)展，即先進(jìn)國家對需要集成多個(gè)開(kāi)關(guān)和PA的高端智能手機需求強勁，而中國、印度、巴西等發(fā)展中國家則是拉動(dòng)低端市場(chǎng)需 求的力量。

此外，在手機的開(kāi)發(fā)設計過(guò)程中，須時(shí)刻考慮終端用戶(hù)的需求和利益。在手機的設計和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，往往要面對成本和性能以及性能和風(fēng) 格上的取舍，如今手機正朝著(zhù)多頻多模的趨勢發(fā)展，在此種情況下，手機風(fēng)格往往只能妥協(xié)。而現今，我們很高興看到，美國無(wú)線(xiàn)電頻率公司Paratek已開(kāi)發(fā) 出一種薄膜材料用于生產(chǎn)改善手機性能的集成電路和其他組件，同時(shí)能夠減少天線(xiàn)等手機組件的數量和尺寸，Paratek的ParaScan材料技術(shù)能夠在一 定范圍內進(jìn)行電子調頻，并且掃描天線(xiàn)電波，這樣內置天線(xiàn)更小更薄，更重要的是，手機內的RF調諧意味著(zhù)手機通話(huà)時(shí)間、通話(huà)質(zhì)量、電池壽命都將增加和提高， 這也意味著(zhù)在面臨風(fēng)格和性能的取舍時(shí)，手機設計人員不再需要妥協(xié)，可以使手機在性能保持不變或更佳時(shí)得到更輕薄時(shí)尚的產(chǎn)品。