浅谈射频前端与无线通信技术

01 射频前端与无线通信

无线通信中，声音、视频等信息需要利用电磁波在空气或其他介质中的传播特性，以射频信号的形式进行传播。射频信号是在300MHz-3000GHz的电磁波，用于无线通信时有如下优点：

电磁波本身可在自由空间中传播，利用天线发送接收信号，不依赖特殊介质或传输线。

部分绕过或穿透障碍物，实现非视域通信。

方便地实现复杂的组网，多用户同时通信时互不干扰。

通过加密、扩频、跳频等技术，可提高通信的保密性。

以手机为例，手机的无线通信包含了四部分，即基带、射频收发机、射频前端以及天线。其中，射频芯片负责射频收发、频率合成、功率放大；基带芯片负责信号处理和协议处理。如语音、图像、传感器信号等原始信号就是基带信号，这些信号通常具有低频特性，不适合远距离传输，因此需要把低频的基带信号加载到更高频的电磁波上，即用射频信号作为载波。以上过程被称作基带的调制（反向过程为解调），而射频前端则是对射频信号进行过滤和放大。

02 射频前端是什么

射频前端即Radio Frequency Front-End，简称RFFE，是无线通信模块的重要组成部分，位于天线和射频收发机之间，在整个无线通信环节中主要起到接收和发射信号的作用。   从系统构成来看，射频前端可以分为发射端和接收端：发射端可以在发射信号的过程中，将射频发射机产生的微弱电磁波信号放大和滤波，其中包含了功率放大器（PA）、双工器/多工器等功能构件。接收端可以在接收信号的过程中，将收到的电磁波信号放大和滤波至适合射频接收机工作的范围，其中包含了滤波器、低噪声放大器（LNA）以及射频开关等器件。   打个比方，闹市中对话的两人，为了获得更清晰的对话，可以在说话时（发射端）加上个大喇叭（PA），耳朵收听时（接收端）加上个助听器（LNA）。为了屏蔽周围干扰的同时，也不干扰周边环境，还可以将这两人围在隔音罩（滤波器）中。   取决于应用场景和终端设备集成度的需求，上述器件通常会按照收发功能要求和支持的频段范围进行一定程度的集成。

03 射频元器件介绍

功率放大器

Power Amplifier，简称PA 功率放大器（PA）是射频前端的核心器件，它决定了通信系统发射信号的能力，是整个通讯系统芯片组中除基带主芯片之外最重要的组成部分。例如手机等无线终端的通讯距离和信号质量，都会受功率放大器的性能所影响。   功率放大器的性能提升主要来自于材料工艺的提升，目前已经经历了CMOS、GaAs、GaN的三大技术演变。第一代半导体材料是CMOS，技术成熟且产能稳定。第二代半导体材料主要使用GaAs或SiGe，有较高的击穿电压，可用于高功率、高频器件应用。第三代半导体材料GaN在性能上显著强于GaAs，但成本较高。所以目前手机上的PA主要运用第二代化合物半导体GaAs，部分PA则采用Si、Ge工艺的CMOS；2G手机曾采用CMOS工艺，3G/4G/5G则采用GaAs工艺，而未来GaN或将成为高频、大功率应用的方案。

滤波器及双工器、多工器

Filter, Duplexer & Multiplexer 滤波器是射频系统中十分重要的元器件，也是射频前端中量产壁垒较高的器件。由于手机发射和接收信号的过程中会有不同频段的信号，或干扰其他通信频率，或被其他频率干扰，滤波器的主要作用是允许特定频段的信号通过，过滤掉其他频段的信号，从而解决不同频段信号之间的干扰问题。所以滤波器的性能优劣会直接影响通信的质量。  

根据制造工艺的不同，滤波器可以分为声表面波滤波器（SAW）与体声波滤波器（BAW），其中SAW滤波器制作工艺较为简单，技术难度较低，性价比较高，适合低频及接收端滤波；而BAW滤波器性能优秀，更适用于高频滤波，同时也有着技术壁垒较高、工艺复杂且价格昂贵的特点。因此受工艺复杂度、技术难度及成本控制的影响，目前通信标准下更多射频前端采用的是SAW滤波器。但随着5G渗透率的提升，BAW滤波器优异的性能和对高频的支持，将使其在手机射频前端的应用中逐步提高占比。  

双工器与多工器，由两组或多组不同频率的带通滤波器组成，用于隔离发射信号与接收信号。利用高通、低通或带通滤波器的分频功能，使得同一天线或传输线可对两条或多条信号路径同时使用，从而实现同一天线对两种、多种不同频率信号的接收和发送。

射频开关 Switch / Tuner 射频开关分为传导开关（Switch）和天线调谐开关（Tuner）两种，前者使射频信号在不同信号路径之间切换，包括不同频段之间的切换、接收与发射之间的切换等。天线调谐开关（Tuner）用于天线效率的优化，其技术难度高于传导开关（Switch），因为天线调谐开关不但有更高的耐压要求，同时需要优化导通电阻和关断电容以优化天线整体性能，由此对产品提出了更高的设计和工艺要求。但射频开关的技术壁垒相对于功率放大器与滤波器还是低一些，国产化率较高。

低噪声放大器

Low Noise Amplifier，简称LNA 低噪声放大器用在接收端，是噪声系数很小的放大器，可以把天线接收到的微弱射频信号放大，同时抑制噪声，使传输给后端接收机的信号更容易处理。LNA能够有效提高接收机的接收灵敏度，进而提高收发机的传输距离。因此低噪声放大器的设计是否良好，可以影响到整个通信系统的通信质量。

  功能小结

编辑：黄飞