進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代,手機集成了越來越多的RF技術(shù),比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多個標(biāo)準(zhǔn)的雙模/多模手機,可實現(xiàn)VoIP、導(dǎo)航、自動支付、電視接收的Wi-Fi、GPS、RFID、NFC手機。采用多種RF技術(shù)使手機的設(shè)計變得越來越復(fù)雜。
手機射頻技術(shù)和手機射頻模塊基本構(gòu)成
3G手機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。下面將著重從三個基本部分開始介紹:
手機射頻模塊功率放大器(PA)
功率放大器(PA)用于將收發(fā)器輸出的射頻信號放大。功率放大器領(lǐng)域是一個有門檻的獨立的領(lǐng)域,也是手機里無法集成化的元件,同時這也是手機中最重要的元件,手機性能、占位面積、通話質(zhì)量、手機強度、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個頻段,以多頻多模優(yōu)勢宣布進軍PA產(chǎn)業(yè)。
PA市場經(jīng)歷了LDMS PA“擂主”時代之后,砷化鎵(GaAs)PA成為3G時代PA市場的“擂主”。當(dāng)年帶領(lǐng)砷化鎵攻打PA市場的TriQuint正在積極布局砷化鎵的藍圖,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可能會成為手機平臺的一部分,并會出現(xiàn)手機芯片平臺企業(yè)收購、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)則是沿信號鏈路的集成,即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點,適用于不同的手機。融合架構(gòu),PA的集成度高,對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu)勢,5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點是雖然PA集成了,但是雙工器仍是相當(dāng)復(fù)雜,并且PA集成時有開關(guān)損耗,性能會受影響。而對于后一種架構(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15%的通話時間。所以,業(yè)內(nèi)人士的建議是,大于6個頻段時(不算2G,指3G和4G)采用融合架構(gòu),而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供兩種架構(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。
手機射頻模塊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(shù)字低中頻的方式實現(xiàn)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現(xiàn)基帶信號到射頻信號的變換。當(dāng)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(jīng)放大、濾波與合成處理后,將射頻信號降頻為基帶,接著是基帶信號處理;而RF/IFIC發(fā)射信號時,則是將20KHz以下的基帶,進行升頻處理,轉(zhuǎn)換為射頻頻帶內(nèi)的信號再發(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,將收發(fā)器作為平臺的一部分,如高通、NXP、飛思卡爾和聯(lián)發(fā)科。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(shè)計。另一類是專業(yè)的射頻廠家,不依靠基頻平臺來拓展收發(fā)器市場,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(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,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,因而有極大的發(fā)展?jié)摿?。其它異質(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)均遠較砷化鎵場效晶體管遜色,現(xiàn)階段砷化鎵場效晶體管制程仍在電性功能的表現(xiàn)上居優(yōu)勢。射頻前端模塊電路設(shè)計以往均著重功率放大器的設(shè)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,同時達到省電的要求。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。
比如,2013年初出現(xiàn)的高集成智能手機前端模塊,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。除三個聲表面波濾波器和五個雙工器以外,該模塊還包含頻段選擇開關(guān)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(fā)展趨勢
隨著手機制造商繼續(xù)開發(fā)支持更多的頻段和精簡射頻架構(gòu)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(jīng)過優(yōu)化的RF模塊中,已經(jīng)成為3G手機設(shè)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,因為它可以使子系統(tǒng)簡化、成本下降和尺寸縮小,為手機增加新功能、節(jié)省提供空間,并為實現(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RF前端的整合之路一直在持續(xù)發(fā)展。事實上,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)的時候,前端集成就已經(jīng)開始了。隨著收發(fā)器架構(gòu)的演進,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)計時必須仔細加以考慮。
高通推出PA,完善其平臺化手機解決方案就是一個集成化的例子。此前手機平臺方案主要包括手機基帶芯片、應(yīng)用處理器、射頻芯片、電源管理以及連接芯片,PA沒有在平臺方案內(nèi),而是有其單獨的供應(yīng)商。高通推出PA,更多的是想使其解決方案更趨‘平臺化’。