关于手机射频芯片，你不知道的事！

 

来源：芯师爷

 

Chrent手机射频前端模块简介

射频前端模块（RFFEM：Radio Frequency Front End Module）是手机通信系统的核心组件，对它的理解要从两方面考虑：

一是必要性 是连接通信收发芯片（transceiver）和天线的必经通路；

二是重要性 它的性能直接决定了移动终端可以支持的通信模式，以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标，直接影响终端用户体验。

如图1，射频前端芯片包括功率放大器（PA：Power Amplifier），天线开关（Switch）、滤波器（Filter）、双工器（Duplexer和Diplexer）和低噪声放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等。  
简述PA、Switch、Filter、Duplexer和Diplexer

 

1、功率放大器（PA）

PA直接决定了手机无线通信的距离、信号质量，甚至待机时间，是整个射频系统中除基带外最重要的部分。

手机里面PA的数量随着2G、3G、4G、5G前向兼容，以及由此带来的频段的增加而增加，以PA模组为例，4G多模多频手机所需的PA芯片增至5-7颗，StrategyAnalytics预测称5G时代手机内的PA或多达16颗之多。

就工艺材料来说，目前砷化镓PA是主流，CMOS PA由于参数性能的影响，只用于低端市场。4G特别是例如高通等LTE cat16，4x20MHZ的载波聚合技术，对PA线性度高Q值得要求，会进一步依赖砷化镓PA。

同时，据Qorvo预测，随着5G的普及， 8GHz以下砷化镓PA仍是主流，但8GHz以上氮化镓有望在手机市场成为主力。

射频前端功能组件围绕PA芯片设计、集成和演化，形成独立于主芯片的前端芯片组。随着无线通讯协议的复杂化及射频前端芯片设计的不断演进， PA设计厂商往往将开关或双工器等功能与功率放大电路集成在一个芯片封装中，形成多种功能组合。

根据实际情况，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多频PA）等多种复合功能的PA芯片类型。

 

 

2、滤波器（Filter）/双工器（Duplexer）

RF滤波器包括了SAW（声表面滤波器）、BAW（体声波滤波器）、MEMS滤波器、IPD（Integrated Passive Devices）等，而双工器是包含Rx和Tx滤波器。SAW、BAW滤波器的性能（插入损耗低、Q 值高）是目前手机应用的主流滤波器。

SAW 使用上限频率为2.5GHz~3GHz，BAW使用频率在 2.0GHz 以上。

对SAW来说，技术趋势是小型片式化、高频宽带化、降低插入损耗。

采用更小尺寸，包括倒装(flip chip packaging)和WLP(晶圆级封装)、WLCSP(Wafer Level Chip ScalePackaging)技术正在使用，同时更高通带率、High isolation，High selectivity以及更低价格。

与 SAW 相比，BAW性能更好，成本也更高，但是当频段越来越多，甚至开始使用载波聚合的时候，就必须得用BAW技术才能解决频段间的相互干扰问题。

BAW所需的制造工艺步骤是 SAW 的10倍，但因它们是在更大晶圆上制造的，每片晶圆产出的 BAW 器件也多了约4倍。即便如此，BAW的成本仍高于 SAW。随着技术的演进， BAW可能会逐步替代SAW。

从集成角度，滤波器/双工器除了与PA集成外，也会考虑与开关的集成，如图所示。

 

3、天线/开关（Antenna/Switch）

天线是在手机射频前端方面，我国具有最大自主知识产权的领域。MIMO技术的应用普及为天线带来巨大增量市场，预计到2020年，MIMO64x8将成为标准配置，即基站端采用64根天线，手机采用8根天线。

目前市场上多数手机仅仅支持MIMO 2x2技术，手机天线数量需要增3倍。5G将引入高频率频段，天线的设计方案将由现有的单体天线改为阵列天线，新型磁性材料及LTCC集成技术将是5G天线的核心技术。

在调谐及开关方面，需要特别强调的是MEMS开关的应用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS调谐及开关技术，其第一代射频MEMS天线调谐器产品，已经被各种智能手机采用。

除通信系统以外，手持设备中的无线连接系统（Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等）对射频前端芯片也有较强的需求，如图2所示。

 

从“五模十七频”说起，回溯2G到4G手机频段发展

 

在4G普及过程中，“五模十三频”、“五模十七频”等概念成为高端手机芯片的重要标志，也成为手机厂商重要宣传热点。

这并非是简单营销噱头，而体现了智能手机兼容不同通信制式的能力，是手机通信性能的核心竞争力指标。

过去十年，手机通信行业经历从2G(GSM/CDMA)、2.5G(Edge)到3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA)，再到4G(FDD-LTE/TD-LTE)两次重大产业升级。伴随4G时代，手机使用频段指数级增长，图3给出到目前为止3GPP公布的E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access，演进的陆地无线接口）全部的频段分布：

其中，GSM使用的频段为Band 2/3/5/8，W-CDMA使用的频段为Band 1/2/5，TD-SCDMA使用的频段为Band 34/38，TD-LTE使用的频段为Band 34/38/39/40/41，FDD-LTE使用的频段为Band 1/3/4/7/17/20。

通常来说，4G手机必须兼容2G和3G，同时，由于全球分配的LTE频谱众多而且离散，为满足国际漫游的需求，手机终端需要支持更多的频段，从而催生了“五模十三频”、“五模十七频”等概念，具备这种功能的手机真正可以实现“一机在手，走遍全球”。

 

2G到4G，射频前端芯片数量和价值均明显增长

 

手机芯片向多模方向发展以及支持频段数量指数性增加是手机射频前端模块数量快速增长的主要驱动因素。

观察2G到4G射频前端解决方案的三幅示意图，可以形成两点直观感受：

1、射频前端芯片数量不断增长；

2、射频前端系统复杂度不断提高。

图4是2G功能手机（Feature Phone）的典型射频前端解决方案，主要的射频前端芯片有：1个功率放大器模块（PA），2个发射低通滤波器（LPF），2个接收滤波器（Saw Filter），1个SP6T开关。

其中，功率放大器、LPF Filter和SP6T Switch被集成到一颗PA Module里。

 

图5是3G手机（WCDMA）的典型射频前端解决方案，主要的射频前端芯片在2G方案的基础上，增加了2组PA Module和4组双工器（Duplexer）。

 
 

图6是4G LTE手机典型射频前端解决方案，支持“五模十二频”，可以看到，在4G时代，射频前端芯片不仅在数量上产生指数级增长，在设计复杂度上更是大大提高。

主要的射频前端芯片有：1个集成频段选择开关的多模功率放大器（MMPA），4个PA Module，3个Duplexer/Multiplexer，6个接收/发射Filter，1个用于TD-LTE模式的S1P2开关，分别用于高频、低频和分集电路的3个天线开关模块，1个接收分集滤波器。

 

表1整理了2G至4G射频前端解决方案中器件的数量，可以看到，4G方案的射频前端芯片数量相比2G方案和3G方案有了明显的增长。

印证了我们对手机射频前端芯片的数量随着支持频段数量的增加而指数级递增的推论。

 

从更为直观的角度观察，图7给出了手机射频前端模块从2G到4G演进过程中价格和出货量的变化数据。

目前，高端4G智能手机中射频前端模块的价格合计已经达到16.25美元，中高端4G产品也有7.25美元。

相比2G手机的0.80美元和3G手机的3.25美元，射频前端模块的单位产值有了几倍、几十倍的提高，并且，随着4G通信网络渗透率的不断提高，高端4G手机的出货量依然在不断攀升中。

 

 

Chrent精选20个手机射频技术对答

 

1、什么是RF？

答：RF 即Radio frequency 射频，主要包括无线收发信机。

 

2、手机RF IC处理信号的原理如何？

答：当射频/中频(RF/IF)IC接收信号时，系接受自天线的信号(约800Hz～3GHz)经放大、滤波与合成处理后，将射频信号降频为基带，接着是基带信号处理；而RF/IF IC发射信号时，则是将20KHz以下的基带，进行升频处理，转换为射频频带内的信号再发射出去。

 

3、一般手机射频/中频模块由哪些部分组成？

答：一般手机射频/中频模块系由无线接收、信号合成与无线发射三个单元组成，其中无线接收单元系由射频头端、混波器、中频放大器与解调器所组成；信号合成部份包含分配器与锁相回路；无线发射单元则由功率放大器、AGC放大器与调变器组成。

 

4、手机基带处理器的组成和主要功能是什么？

答：常见手机基带处理器则负责数据处理与储存，主要组件为DSP、微控制器、内存(如SRAM、Flash)等单元，主要功能为基带编码/译码、声音编码及语音编码等。

 

5、如何理解手机的射频、中频和基频？

答：手机内部基本构造依不同频率信号的处理可分成射频（ＲＦ）、中频（ＩＦ）及基频（ＢＦ）三大部分，射频负责接收及发射高频信号，基频则负责信号处理及储存等功能，中频则是射频与基频的中介桥梁，使信号能顺利由高频信号转成基频的信号。

 

6、手机最后的发射频率是在890---915Mhz，这是调频波还是调幅波？测使用gmsk调制的gsm手机的射频部分，为何在测试时使用固定的902.4Mhz的固定频率？

答：GMSK调制指高斯最小频移键控，是数字调制，某种程度上可以理解成是调频，但频率的改变以离散的（不连续的）方式进行，而调频纯粹是模拟调制，频率的改变是连续的。

从890MHZ到915MHZ共25MHZ频带宽度，信道间隔为200KHZ（即0.2MHZ），共有125个上行信道，测试时不可能125个信道都测，通常会选3个有代表性的频点（信道），两边两个，中间一个，902.4MHZ刚好是中间的信道。

 

7、推荐RF仿真软件及其特点？

答：Agilent ADS仿真软件作RF仿真。这种软件支持分立RF设计和完整系统设计。详情可查看Agilent网站。

 

8、哪里可以下载关于手机设计方案的相应知识，包括几大模快、各个模块的功能以及由此对硬件的性能要求等内容？

答：可以看看www.gsmworld.com和www.139130.net，或许有所帮助。关于TI的wireless solution,可以看看www.ti.com中的wireless communications。

 

9、在做手机RF收发部分设计时，如何解决RF干扰问题？

答：GSM 手机是TDMA工作方式，RF收发并不是同时进行的，减少RF干扰的基本原则是一定要加强匹配和隔离。在设计时要考虑到发射机处于大功率发射状态，与接收机相比更容易造成干扰，所以一定要特别保证PA的匹配。

另外RF前端filter的隔离也是一个重要的指标。PCB板一般是6层或8层，必须要有足够的ground plane以减少RF干扰。

 

10、如何消除GSM突发干扰？

答：在PCB布线时，要把数字和射频部分很好的隔离开，必须保证好的ground plane。一些电源和信号线必须进行有效的电容滤波。

 

11、选择手机射频芯片时，主要考虑哪些问题？

答：在选择射频芯片时主要考虑以下几点：

射频性能，包括可靠性。 

集成度高，需要少的外围原器件。

成本因素。

 

12、 “手机接收机前端滤波器带宽根据接收频率的带宽来决定,必须保证带内信号以最小的插损通过，不被滤除掉。” 在满足能有效接收信号的情况下，对前端滤波器，如果滤波器带宽比较宽，那么滤波器的插损就小（对SAW不知是不是也是这样），但带内噪声就增加，反之相反。那么在给定接收信号频率范围的情况下，应该如何来考虑滤波器的带宽，使带内信号以最小的插损通过？

答：应该从系统设计的角度考虑这个问题，包括频率范围(frequency range,sensitivity)和感度(selectivity)等。可以在插损(insertion loss)、带宽(bandwidth)和带外抑制(out of band rejection)之间取得折衷, 只要选择的值符合系统需求，就可以了。

 

13、怎样解决高频LC振荡电路的二次谐振或者多次谐振？

答：可以改善振荡器反馈网络的频率选择性，或者利用输入匹配电路以削弱谐波。

附相关英文回答原文：

You can improve the frequency selectivity of oscillator feedback network or take advantage of the output matching circuitry to attenuate the harmonics.

 

14、RF端口匹配结果好坏直接影响RF链路的信号质量。如何最快最好地调试这些匹配电路？

答：

第一步：可以基于电路板设计使用网络分析仪测量实际的S参数，并将其输入到RF仿真SW中，以获得初始的匹配网络。

第二步：可以基于匹配网络的仿真结果，在板上做一些进一步的优化工作。

附：相关英文回答：

Step 1: You can measure the actual S parameters using network analyser based on your board design and input it to the RF simulation SW to get the initial matching network.

step 2: Based on the simulation result of matching network you can do some further optimization work on your board.

 

15、在设计如wireless LAN card 的时候常会使用屏蔽罩用以屏蔽掉RF部分的辐射。这样做会增加成本。有什么办法可以少用甚至不用屏蔽罩？

答：可将高功率RF信号置于PCB中间层，并确保良好接地以减少散射。但是屏蔽罩仍是保证稳定发射性能的首选。

附相关英文回答原文：

You can put high power RF signal in the middle layer of PCB and make sure have good grounding to reduce the radiation,but shielding can is still the preferred way to gurantee the stable radiation performance.

 

16、10～30mV的有用信号：放大100～120dB后，有用信号达到峰峰值3V～~4V，但噪声信号也达到了300mV左右，但实际要求噪声信号在20mV以下，如何解决？（前级放大问题不明显，矛盾不突出，关键到最后一级放大后，问题就出现了。）

答：首先要确保有用信号有非常好的信噪比，然后才将其输入放大器链，接着计算获得目标信号振幅和噪声水平所需的增益与NF的大小，最后根据这些数据选择合适的器件设计放大器链路。

附相关英文回答原文：

First please make sure the useful signal has very good SNR before you input it to amplifiers chain,then you can calculate how much gain and NF you need to get the targeted signal amplitude and noise level, based on this you can choose the right components to design amplifiers chain，

 

17、在开发WLAN的PCB Layou时候，怎样匹配或计算线路为50ohm.？

答：50ohm匹配由PCB层叠决定。将PCB参数(层厚度、)使用RF仿真工具计算阻抗、line thickness和line width。

附相关英文回答原文：

You can calculate the impedance using RF simulation tools by setting PCB parameters like layer thickness, line thickness and line width.

 

18、如果线路匹配不好，怎样在网络分析仪下计算所匹配的元件（L ，C）？

答：如果线路不匹配，可以使用网络分析仪测量S参数，并借助史密斯圆图使用LC元件来补偿这种不匹配。

附相关英文回答原文：

If there's mismatching you can use network analyser to measure the S-parameters and use LC conponents to compensate the mismatch using Smith chart.

 

19、在射频电路比如放大器的设计中，其管子的信号地与偏置电路的电源地是否分开为好，或者至少在同一层分开？

答：一般不需要分开信号地和电源地。

附相关英文回答原文：

Normally you don't need to seperate the ground of power supply with the ground of amplifier。

 

20、不少射频PCB布板在空域即无元件和走线的地方没有布大面积地，这如何解释？在微波频段是否应不一样？

答：可以在DC线路上加足数的小电器。

附相关英文回答原文：

you can add enough small capacitors on DC line.