手機射頻技術(shù)及發(fā)展趨勢分析

　　近年來隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的功能集成到手機中。為隨時隨地通過網(wǎng)絡下載各種音視頻內(nèi)容、接收電視節(jié)目等等，手機將集成越來越多的RF技術(shù)，例如支持GSM、GPRS、EDGE、HSDPA、CDMA2000、WCMDA、TD-SCDMA等移動通信空中接口標準中的兩個或者多個標準的雙模/多模手機，可分別實現(xiàn)VoIP、定位導航、自動費用支付、電視節(jié)目接收的Wi-Fi手機、GPS手機、RFID手機、電視手機。這些采用多種RF技術(shù)的手機在提供便利的同時也使得手機的設(shè)計變得復雜，如何進一步集成射頻元件也變得至關(guān)重要。

　　手機射頻單元基本構(gòu)成

　　手機的射頻部分中的關(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：　　

　　手機射頻單元基本構(gòu)成圖

　　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。

　　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，如德州儀器、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、意法半導體、RFMD和SKYWORKS。后一類廠家中英飛凌和意法半導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立信定做3G時代的收發(fā)器。意法半導體的手機射頻業(yè)務則是全部圍繞諾基亞展開，沒有任何對外銷售的產(chǎn)品，只有諾基亞一個客戶。

　　收發(fā)器正朝集成化和多?；斑M，集成化是因為手機行家對持續(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Berkana后，也大力采用RF CMOS工藝。一批新進射頻廠家無一例外都采用RF CMOS工藝，甚至是最先進的65納米RF CMOS工藝。老牌的飛利浦、FREESCALE、意法半導體和瑞薩仍然堅持用傳統(tǒng)工藝，主要是SiGe BiCMOS 工藝，諾基亞仍然大量使用意法半導體的射頻收發(fā)器。不過意法半導體在合并了NXP和愛立信移動平臺后推出基頻的能力大大增強。多模化是對廠家能力的挑戰(zhàn)，未來的3G、4G手機很有可能多模，支持WCDMA、LTE和WIMAX等多種技術(shù)標準，而實力不濟的廠家將會出局。

　　功率放大器(PA)

　　PA用于將收發(fā)器輸出的射頻信號放大，通常有三種實現(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，至今仍在廣泛應用，一般選用的是成本較低的硅雙極器件。其主要缺點是手機制造商必須擁有豐富的射頻電路設(shè)計經(jīng)驗，能自己完成PA的設(shè)計。因此對于超過1Ghz以上的系統(tǒng)的PA的快速開發(fā)，分立電路缺乏吸引力。而這正是MMIC的優(yōu)勢所在，MMIC過去采用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，要求手機制造商掌握的射頻電路設(shè)計知識比較少。然而MMIC仍不能提供所有的功放功能，價格和效率在實際應用中也經(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，手機制造商僅需要很少的射頻知識，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(橫向擴散金屬氧化硅)或GaAsHBT工藝，PAM的主要優(yōu)點是可以結(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，手機的通話質(zhì)量、信號接收能力、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。

　　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。

　　據(jù)iSuppli預測，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。

　　幾年前，TriQuint公司意識到高集成模塊為客戶帶來的好處并且開始構(gòu)建和調(diào)整產(chǎn)品以滿足此需要，通過自身發(fā)展和并購增強了自身專業(yè)技術(shù)能力，進而掌握了業(yè)界最全面的室內(nèi)技術(shù)組合并實現(xiàn)了最高水平的集成。 TriQuint亞太區(qū)銷售總裁RichardLin說道，“我們是市場上唯一的能夠提供集成放大器(PA)、開關(guān)、低通濾波器、功率放大器和開關(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)品尤其受中國客戶的歡迎。這也是我們公司近年來高速成長的主要原因，去年TriQuint在中國的業(yè)務成長超過了30%。”他認為高度集成的模塊化RF符合了客戶需求的變化，代表了未來的發(fā)展方向。另外從市場需求來看，Richard Lin認為RF領(lǐng)域呈現(xiàn)兩極化方向發(fā)展，即先進國家對需要集成多個開關(guān)和PA的高端智能手機需求強勁，而中國、印度、巴西等發(fā)展中國家則是拉動低端市場需求的力量。

　　此外，在手機的開發(fā)設(shè)計過程中，須時刻考慮終端用戶的需求和利益。在手機的設(shè)計和開發(fā)過程中，往往要面對成本和性能以及性能和風格上的取舍，如今手機正朝著多頻多模的趨勢發(fā)展，在此種情況下，手機風格往往只能妥協(xié)。而現(xiàn)今，我們很高興看到，美國無線電頻率公司Paratek已開發(fā)出一種薄膜材料用于生產(chǎn)改善手機性能的集成電路和其他組件，同時能夠減少天線等手機組件的數(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，手機內(nèi)的RF調(diào)諧意味著手機通話時間、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格和性能的取舍時，手機設(shè)計人員不再需要妥協(xié)，可以使手機在性能保持不變或更佳時得到更輕薄時尚的產(chǎn)品。