手機(jī)射頻技術(shù)及最新發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的功能集成到手機(jī)中。為隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載各種音視頻內(nèi)容、接收電視節(jié)目等等，手機(jī)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(biāo)準(zhǔn)中的兩個(gè)或者多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙模/多模手機(jī)，可分別實(shí)現(xiàn)VoIP、定位導(dǎo)航、自動(dòng)費(fèi)用支付、電視節(jié)目接收的Wi-Fi手機(jī)、GPS手機(jī)、RFID手機(jī)、電視手機(jī)。這些采用多種RF技 術(shù)的手機(jī)在提供便利的同時(shí)也使得手機(jī)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，如何進(jìn)一步集成射頻元件也變得至關(guān)重要。

手機(jī)射頻單元基本構(gòu)成

手機(jī)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：

手機(jī)射頻單元基本構(gòu)成圖

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。

收發(fā)器領(lǐng)域廠家分為兩大類(lèi)，一 類(lèi)是依托基頻平臺(tái)，將收發(fā)器作為平臺(tái)的一部分，如高通和聯(lián)發(fā)科（之前的德州儀器、NXP、飛思卡爾等已退出手機(jī)射頻收發(fā)器市場(chǎng)）。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(lèi)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、RFMD和SKYWORKS。后 一類(lèi)廠家中英飛凌和意法半導(dǎo)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(dǎo)體的手機(jī)射頻業(yè)務(wù)則是全部圍繞諾 基亞展開(kāi)，沒(méi)有任何對(duì)外銷(xiāo)售的產(chǎn)品，只有諾基亞一個(gè)客戶。

收發(fā)器正朝集成化和多模化前進(jìn)，集成化是因?yàn)槭謾C(jī)行家對(duì)持續(xù)降低成本的要求，絕大 多數(shù)的廠家的收發(fā)器半導(dǎo)體制造工藝已轉(zhuǎn)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(gòu)Berkana后，也大力采用RF CMOS工藝。一批新進(jìn)射頻廠家無(wú)一例外都采用RF CMOS工藝，甚至是最先進(jìn)的65納米R(shí)F CMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導(dǎo)體和瑞薩仍然堅(jiān)持用傳統(tǒng)工藝，主要是SiGe BiCMOS 工藝，諾基亞仍然大量使用意法半導(dǎo)體的射頻收發(fā)器。不過(guò)意法半導(dǎo)體在合并了NXP和愛(ài)立信移動(dòng)平臺(tái)后推出基頻的能力大大增強(qiáng)。多模化是對(duì)廠家能力的挑戰(zhàn)， 未來(lái)的3G、4G手機(jī)很有可能多模，支持WCDMA、LTE和WIMAX等多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)力不濟(jì)的廠家將會(huì)出局。

功率放大器（PA）

PA 用于將收發(fā)器輸出的射頻信號(hào)放大，通常有三種實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(jī)制造商必須擁有豐富的射頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，能自己完成PA的設(shè) 計(jì)。因此對(duì)于超過(guò)1Ghz以上的系統(tǒng)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(shì)所在，MMIC過(guò)去采用GaAs MESFET制造，現(xiàn)在多采用砷化鎵異質(zhì)結(jié)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(jī)制造商掌握的射頻電路設(shè)計(jì)知識(shí)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(yīng)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(jī)制造商僅需要很少的射頻知識(shí)，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(kuò)散金屬氧化硅)或GaAsHBT工藝，PAM的主要優(yōu)點(diǎn)是可以結(jié)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(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)的通話質(zhì) 量、信號(hào)接收能力、電池續(xù)航能力都由功率放大器決定。一般廠家選定功率放大器之后，更換供應(yīng)商的可能非常非常小。功率放大器領(lǐng)域主要廠家是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(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)。

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。

據(jù) iSuppli預(yù)測(cè)，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。

幾年前，TriQuint公司意識(shí)到高集成模塊為客戶帶來(lái) 的好處并且開(kāi)始構(gòu)建和調(diào)整產(chǎn)品以滿足此需要，通過(guò)自身發(fā)展和并購(gòu)增強(qiáng)了自身專業(yè)技術(shù)能力，進(jìn)而掌握了業(yè)界最全面的室內(nèi)技術(shù)組合并實(shí)現(xiàn)了最高水平的集成。 TriQuint亞太區(qū)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)品的廠商，TriQuint公司的戰(zhàn)略就是模塊化，模塊化的產(chǎn)品尤其受中國(guó)客戶的歡迎。這也是我們公司近年來(lái)高速成長(zhǎng)的主要原因，去年TriQuint 在中國(guó)的業(yè)務(wù)成長(zhǎng)超過(guò)了30％。”他認(rèn)為高度集成的模塊化RF符合了客戶需求的變化，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(rèn)為RF領(lǐng)域呈現(xiàn)兩極化方向發(fā)展，即先進(jìn)國(guó)家對(duì)需要集成多個(gè)開(kāi)關(guān)和PA的高端智能手機(jī)需求強(qiáng)勁，而中國(guó)、印度、巴西等發(fā)展中國(guó)家則是拉動(dòng)低端市場(chǎng)需 求的力量。

此外，在手機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，須時(shí)刻考慮終端用戶的需求和利益。在手機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，往往要面對(duì)成本和性能以及性能和風(fēng) 格上的取舍，如今手機(jī)正朝著多頻多模的趨勢(shì)發(fā)展，在此種情況下，手機(jī)風(fēng)格往往只能妥協(xié)。而現(xiàn)今，我們很高興看到，美國(guó)無(wú)線電頻率公司Paratek已開(kāi)發(fā) 出一種薄膜材料用于生產(chǎn)改善手機(jī)性能的集成電路和其他組件，同時(shí)能夠減少天線等手機(jī)組件的數(shù)量和尺寸，Paratek的ParaScan材料技術(shù)能夠在一 定范圍內(nèi)進(jìn)行電子調(diào)頻，并且掃描天線電波，這樣內(nèi)置天線更小更薄，更重要的是，手機(jī)內(nèi)的RF調(diào)諧意味著手機(jī)通話時(shí)間、通話質(zhì)量、電池壽命都將增加和提高， 這也意味著在面臨風(fēng)格和性能的取舍時(shí)，手機(jī)設(shè)計(jì)人員不再需要妥協(xié)，可以使手機(jī)在性能保持不變或更佳時(shí)得到更輕薄時(shí)尚的產(chǎn)品。