手機射頻技術和手機射頻模塊基礎解讀
發布時間:2013-07-03 來源:電子元件技術網 責任編輯:Cynthiali
【導讀】手機在向雙模/多模發展的同時集成了越來越多的RF技術。手機射頻模塊有哪些基本構成?它們又將如何集成?RF收發器,功率放大器,天線開關模塊,前端模塊,雙工器,SAW濾波器……跟著本文,來一一認識手機射頻技術和射頻模塊的關鍵元件們吧!
進入移動互聯網時代,手機集成了越來越多的RF技術,比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多個標準的雙模/多模手機,可實現VoIP、導航、自動支付、電視接收的Wi-Fi、GPS、RFID、NFC手機。采用多種RF技術使手機的設計變得越來越複雜。
手機射頻技術和手機射頻模塊基本構成
3G手機射頻部分由射頻接收和射頻發送兩部分組成,其主要電路包括天線、無線開關、接收濾波、頻率合成器、高頻放大、接收本振、混頻、中頻、發射本振、功放控製、功放等。
總體來說,基本的手機射頻部分中的關鍵元件主要包括RF收發器(Transceiver),功率放大器(PA),天線開關模塊(ASM),前端模塊(FEM),雙工器,RF SAW濾波器及合成器等,如圖所示。下麵將著重從三個基本部分開始介紹:

圖 手機射頻模塊基本構成圖
手機射頻模塊功率放大器(PA)
功率放大器(PA)用(yong)於(yu)將(jiang)收(shou)發(fa)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)。功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)領(ling)域(yu)是(shi)一(yi)個(ge)有(you)門(men)檻(kan)的(de)獨(du)立(li)的(de)領(ling)域(yu),也(ye)是(shi)手(shou)機(ji)裏(li)無(wu)法(fa)集(ji)成(cheng)化(hua)的(de)元(yuan)件(jian),同(tong)時(shi)這(zhe)也(ye)是(shi)手(shou)機(ji)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)元(yuan)件(jian),手(shou)機(ji)性(xing)能(neng)、占位麵積、通話質量、手機強度、電池續航能力都由功率放大器決定。
功率放大器領域主要廠家是RFMD、Skyworks、TriQuint、Renesas、NXP、Avago、ANADIGICS。現在,原本是PA企業合作夥伴的高通,也直接加入到PA市場中,將在2013年下半年推出以CMOS製程生產的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個頻段,以多頻多模優勢宣布進軍PA產業。
PA市場經曆了LDMS PA“擂主”時代之後,砷化镓(GaAs)PA成為3G時代PA市場的“擂主”。當年帶領砷化镓攻打PA市場的TriQuint正在積極布局砷化镓的藍圖,針對3G/4G智能手機擴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,未來PA可能會成為手機平台的一部分,並會出現手機芯片平台企業收購、兼並PA企業的現象。
如何集成這些不同頻段和製式的功率放大器是業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,將不同頻率的射頻功率放大器PA集成;另一種架構則是沿信號鏈路的集成,即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優缺點,適用於不同的手機。融合架構,PA的集成度高,對於3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優勢,5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優勢。缺點是雖然PA集成了,但是雙工器仍是相當複雜,並且PA集ji成cheng時shi有you開kai關guan損sun耗hao,性xing能neng會hui受shou影ying響xiang。而er對dui於yu後hou一yi種zhong架jia構gou,性xing能neng更geng好hao,功gong放fang與yu雙shuang功gong器qi集ji成cheng可ke以yi提ti升sheng電dian流liu特te性xing,大da約yue可ke以yi節jie省sheng幾ji十shi毫hao安an電dian流liu,相xiang當dang於yu延yan長chang15%的通話時間。所以,業內人士的建議是,大於6個頻段時(不算2G,指3G和4G)采用融合架構,而小於四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供兩種架構的方案,RFMD主要偏向於融合PA的架構,Skyworks偏向於多頻PAD方案。
手機射頻模塊RF收發器
shoufaqishishoujishepindehexinchulidanyuan,zhuyaobaokuoshouxindanyuanhefaxindanyuan,qianzhewanchengduijieshouxinhaodefangda,lvbohexiabianpinzuizhongshuchujidaixinhao。tongchangcaiyonglingzhongpinheshuzidizhongpindefangshishixianshepindaojidaidebianhuan;後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,收信單元接受自天線的信號(約800Hz~3GHz)經放大、濾波與合成處理後,將射頻信號降頻為基帶,接著是基帶信號處理;而RF/IFIC發射信號時,則是將20KHz以下的基帶,進行升頻處理,轉換為射頻頻帶內的信號再發射出去。
前些年收發器領域廠家分為兩大類,一類是依托基頻平台,將收發器作為平台的一部分,如高通、NXP、feisikaerhelianfake。zheshiyinweishoufaqiyujipindeguanxifeichangmiqie,liangzhetongchangxuyaoxietongsheji。lingyileishizhuanyedeshepinchangjia,buyikaojipinpingtailaituozhanshoufaqishichang,ruyingfeiling、意法半導體、和Skyworks。
隨(sui)著(zhe)收(shou)發(fa)器(qi)向(xiang)集(ji)成(cheng)化(hua)和(he)多(duo)模(mo)化(hua)發(fa)展(zhan),單(dan)模(mo)的(de)收(shou)發(fa)器(qi)已(yi)經(jing)完(wan)全(quan)集(ji)成(cheng)到(dao)基(ji)頻(pin)裏(li)。不(bu)同(tong)頻(pin)段(duan)和(he)製(zhi)式(shi)的(de)射(she)頻(pin)前(qian)端(duan)器(qi)件(jian)也(ye)一(yi)直(zhi)在(zai)以(yi)不(bu)同(tong)的(de)方(fang)式(shi)集(ji)生(sheng)產(chan)。分(fen)立(li)的(de)RF收發器越來越少見。
手機射頻前端模塊(FEM)
前端模塊集成了開關和射頻濾波器,完成天線接收和發射的切換、頻段選擇、接收和發射射頻信號的濾波。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)、矽鍺 (SiGe)或Bipolar CMOS等deng矽gui集ji成cheng電dian路lu製zhi程cheng設she計ji,逐zhu漸jian形xing成cheng主zhu流liu。由you於yu矽gui集ji成cheng電dian路lu具ju有you成cheng熟shu的de製zhi程cheng,足zu以yi設she計ji龐pang大da複fu雜za的de電dian路lu,加jia上shang可ke以yi與yu中zhong頻pin與yu基ji頻pin電dian路lu一yi起qi設she計ji,因yin而er有you極ji大da的de發fa展zhan潛qian力li。其qi它ta異yi質zhi結jie構gou晶jing體ti管guan亦yi在zai特te殊shu用yong途tu的de電dian路lu嶄zhan露lu頭tou角jiao;然而在5GHz以上的頻段,它在低噪聲特性、高功率輸出、功(gong)率(lv)增(zeng)加(jia)效(xiao)率(lv)的(de)表(biao)現(xian)均(jun)遠(yuan)較(jiao)砷(shen)化(hua)镓(jia)場(chang)效(xiao)晶(jing)體(ti)管(guan)遜(xun)色(se),現(xian)階(jie)段(duan)砷(shen)化(hua)镓(jia)場(chang)效(xiao)晶(jing)體(ti)管(guan)製(zhi)程(cheng)仍(reng)在(zai)電(dian)性(xing)功(gong)能(neng)的(de)表(biao)現(xian)上(shang)居(ju)優(you)勢(shi)。射(she)頻(pin)前(qian)端(duan)模(mo)塊(kuai)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)以(yi)往(wang)均(jun)著(zhe)重(zhong)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)設(she)計(ji),追(zhui)求(qiu)低(di)電(dian)壓(ya)操(cao)作(zuo)、高功率輸出、gaogonglvzengjiaxiaolv,yifuheshiyongdidianyadianchi,jiyisuoxiaotiji,tongshidadaoshengdiandeyaoqiu。gonglvzengjiaxiaolvyuxianxingduwangwangwufajiangu,ranerzaidaliangshiyongshuzitiaobianjishuxia,ruhebaochilianghaodexianxingdu,chengweibirandeyanjiuzhongdian。
比如,2013年初出現的高集成智能手機前端模塊,除了覆蓋傳統的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。除三個聲表麵波濾波器和五個雙工器以外,該模塊還包含頻段選擇開關和解碼器,同時在天線輸出端還帶有可防護高達4 kV的ESD保護電路。
手機RF模塊發展趨勢
隨著手機製造商繼續開發支持更多的頻段和精簡射頻架構的手機,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高度集成、經過優化的RF模塊中,已經成為3G手機設計射頻方案的首選。
手機中的射頻(RF)前端將越來越多地采用集成模塊,因為它可以使子係統簡化、成本下降和尺寸縮小,為手機增加新功能、節省提供空間,並為實現單芯片前端解決方案創造條件。隨著前端模塊(FEMs)到射頻(RF)收發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展。事實上,早在RF收發器采用直接轉換或零中頻(ZIF)架構(先消除中頻段,隨後消除IF聲表麵波濾波器)的時候,前端集成就已經開始了。隨著收發器架構的演進,外部合成元件(即電壓控製振蕩器和鎖相環)yijingbeizhijiejichengzaishoufaqidexinpianzhong。gaojichengdushixianlechengbendejiangdiyijidianlubanchicundejianxiao。xianggaojichengdufazhandequshimeiyourenhetingzhidejixiang。buguo,youyujichengdetujingfeichangduo,yincizaishejishibixuzaixijiayikaolv。
高通推出PA,完善其平台化手機解決方案就是一個集成化的例子。此前手機平台方案主要包括手機基帶芯片、應用處理器、射頻芯片、電源管理以及連接芯片,PA沒有在平台方案內,而是有其單獨的供應商。高通推出PA,更多的是想使其解決方案更趨‘平台化’。
近幾年來,聚焦射頻(RF)技術,提供射頻模塊最新動態的網站也越來越多。比如mouser 2013年初推出的射頻無線技術網站:http://www.mouser.cn/applications/rf-wireless-technology/幫bang助zhu設she計ji工gong程cheng師shi挑tiao選xuan無wu線xian電dian頻pin率lv經jing驗yan證zheng的de最zui新xin集ji成cheng解jie決jue方fang案an和he即ji插cha即ji用yong模mo塊kuai,並bing即ji時shi為wei現xian有you應ying用yong增zeng加jia無wu線xian功gong能neng。該gai解jie決jue方fang案an中zhong心xin彙hui聚ju了le來lai自ziSkyworks、Murata、Panasonic和TexasInstruments等業界領先的製造商提供的最新射頻模塊。這些射頻解決方案同時按頻率範圍(1GHz以下、1-5GHz和5GHz以上)和協議(藍牙、ZigBee、Wi-Fi和GPS)兩種方式分類。
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