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Chrent手機(jī)射頻前端模塊簡(jiǎn)介

射頻前端模塊（RFFEM：Radio Frequency Front End Module）是手機(jī)通信系統(tǒng)的核心組件，對(duì)它的理解要從兩方面考慮：

一是必要性 是連接通信收發(fā)芯片（transceiver）和天線的必經(jīng)通路；

二是重要性 它的性能直接決定了移動(dòng)終端可以支持的通信模式，以及接收信號(hào)強(qiáng)度、通話穩(wěn)定性、發(fā)射功率等重要性能指標(biāo)，直接影響終端用戶體驗(yàn)。

如圖1，射頻前端芯片包括功率放大器（PA：Power Amplifier），天線開(kāi)關(guān)（Switch）、濾波器（Filter）、雙工器（Duplexer和Diplexer）和低噪聲放大器（LNA：Low Noise Amplifier）等。 ?
簡(jiǎn)述PA、Switch、Filter、Duplexer和Diplexer

1、功率放大器（PA）

PA直接決定了手機(jī)無(wú)線通信的距離、信號(hào)質(zhì)量，甚至待機(jī)時(shí)間，是整個(gè)射頻系統(tǒng)中除基帶外最重要的部分。

手機(jī)里面PA的數(shù)量隨著2G、3G、4G、5G前向兼容，以及由此帶來(lái)的頻段的增加而增加，以PA模組為例，4G多模多頻手機(jī)所需的PA芯片增至5-7顆，StrategyAnalytics預(yù)測(cè)稱5G時(shí)代手機(jī)內(nèi)的PA或多達(dá)16顆之多。

就工藝材料來(lái)說(shuō)，目前砷化鎵PA是主流，CMOS PA由于參數(shù)性能的影響，只用于低端市場(chǎng)。4G特別是例如高通等LTE cat16，4x20MHZ的載波聚合技術(shù)，對(duì)PA線性度高Q值得要求，會(huì)進(jìn)一步依賴砷化鎵PA。

同時(shí)，據(jù)Qorvo預(yù)測(cè)，隨著5G的普及， 8GHz以下砷化鎵PA仍是主流，但8GHz以上氮化鎵有望在手機(jī)市場(chǎng)成為主力。

射頻前端功能組件圍繞PA芯片設(shè)計(jì)、集成和演化，形成獨(dú)立于主芯片的前端芯片組。隨著無(wú)線通訊協(xié)議的復(fù)雜化及射頻前端芯片設(shè)計(jì)的不斷演進(jìn)， PA設(shè)計(jì)廠商往往將開(kāi)關(guān)或雙工器等功能與功率放大電路集成在一個(gè)芯片封裝中，形成多種功能組合。

根據(jù)實(shí)際情況，TxM（PA+Switch）、PAD（PA+ Duplexer）、 MMPA（多模多頻PA）等多種復(fù)合功能的PA芯片類型。

2、濾波器（Filter）/雙工器（Duplexer）

RF濾波器包括了SAW（聲表面濾波器）、BAW（體聲波濾波器）、MEMS濾波器、IPD（Integrated Passive Devices）等，而雙工器是包含Rx和Tx濾波器。SAW、BAW濾波器的性能（插入損耗低、Q 值高）是目前手機(jī)應(yīng)用的主流濾波器。

SAW 使用上限頻率為2.5GHz~3GHz，BAW使用頻率在 2.0GHz 以上。

對(duì)SAW來(lái)說(shuō)，技術(shù)趨勢(shì)是小型片式化、高頻寬帶化、降低插入損耗。

采用更小尺寸，包括倒裝(flip chip packaging)和WLP(晶圓級(jí)封裝)、WLCSP(Wafer Level Chip ScalePackaging)技術(shù)正在使用，同時(shí)更高通帶率、High isolation，High selectivity以及更低價(jià)格。

與 SAW 相比，BAW性能更好，成本也更高，但是當(dāng)頻段越來(lái)越多，甚至開(kāi)始使用載波聚合的時(shí)候，就必須得用BAW技術(shù)才能解決頻段間的相互干擾問(wèn)題。

BAW所需的制造工藝步驟是 SAW 的10倍，但因它們是在更大晶圓上制造的，每片晶圓產(chǎn)出的 BAW 器件也多了約4倍。即便如此，BAW的成本仍高于 SAW。隨著技術(shù)的演進(jìn)， BAW可能會(huì)逐步替代SAW。

從集成角度，濾波器/雙工器除了與PA集成外，也會(huì)考慮與開(kāi)關(guān)的集成，如圖所示。

3、天線/開(kāi)關(guān)（Antenna/Switch）

天線是在手機(jī)射頻前端方面，我國(guó)具有最大自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的領(lǐng)域。MIMO技術(shù)的應(yīng)用普及為天線帶來(lái)巨大增量市場(chǎng)，預(yù)計(jì)到2020年，MIMO64x8將成為標(biāo)準(zhǔn)配置，即基站端采用64根天線，手機(jī)采用8根天線。

目前市場(chǎng)上多數(shù)手機(jī)僅僅支持MIMO 2x2技術(shù)，手機(jī)天線數(shù)量需要增3倍。5G將引入高頻率頻段，天線的設(shè)計(jì)方案將由現(xiàn)有的單體天線改為陣列天線，新型磁性材料及LTCC集成技術(shù)將是5G天線的核心技術(shù)。

在調(diào)諧及開(kāi)關(guān)方面，需要特別強(qiáng)調(diào)的是MEMS開(kāi)關(guān)的應(yīng)用。如Cavendish Kinetics 公司的MEMS調(diào)諧及開(kāi)關(guān)技術(shù)，其第一代射頻MEMS天線調(diào)諧器產(chǎn)品，已經(jīng)被各種智能手機(jī)采用。

除通信系統(tǒng)以外，手持設(shè)備中的無(wú)線連接系統(tǒng)（Wi-Fi、GPS、Bluetooth、FM和NFC等）對(duì)射頻前端芯片也有較強(qiáng)的需求，如圖2所示。

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從“五模十七頻”說(shuō)起，回溯2G到4G手機(jī)頻段發(fā)展

在4G普及過(guò)程中，“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念成為高端手機(jī)芯片的重要標(biāo)志，也成為手機(jī)廠商重要宣傳熱點(diǎn)。

這并非是簡(jiǎn)單營(yíng)銷噱頭，而體現(xiàn)了智能手機(jī)兼容不同通信制式的能力，是手機(jī)通信性能的核心競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)。

過(guò)去十年，手機(jī)通信行業(yè)經(jīng)歷從2G(GSM/CDMA)、2.5G(Edge)到3G(WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA)，再到4G(FDD-LTE/TD-LTE)兩次重大產(chǎn)業(yè)升級(jí)。伴隨4G時(shí)代，手機(jī)使用頻段指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，圖3給出到目前為止3GPP公布的E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access，演進(jìn)的陸地?zé)o線接口）全部的頻段分布：

其中，GSM使用的頻段為Band 2/3/5/8，W-CDMA使用的頻段為Band 1/2/5，TD-SCDMA使用的頻段為Band 34/38，TD-LTE使用的頻段為Band 34/38/39/40/41，F(xiàn)DD-LTE使用的頻段為Band 1/3/4/7/17/20。

通常來(lái)說(shuō)，4G手機(jī)必須兼容2G和3G，同時(shí)，由于全球分配的LTE頻譜眾多而且離散，為滿足國(guó)際漫游的需求，手機(jī)終端需要支持更多的頻段，從而催生了“五模十三頻”、“五模十七頻”等概念，具備這種功能的手機(jī)真正可以實(shí)現(xiàn)“一機(jī)在手，走遍全球”。

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2G到4G，射頻前端芯片數(shù)量和價(jià)值均明顯增長(zhǎng)

手機(jī)芯片向多模方向發(fā)展以及支持頻段數(shù)量指數(shù)性增加是手機(jī)射頻前端模塊數(shù)量快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。

觀察2G到4G射頻前端解決方案的三幅示意圖，可以形成兩點(diǎn)直觀感受：

1、射頻前端芯片數(shù)量不斷增長(zhǎng)；

2、射頻前端系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提高。

圖4是2G功能手機(jī)（Feature Phone）的典型射頻前端解決方案，主要的射頻前端芯片有：1個(gè)功率放大器模塊（PA），2個(gè)發(fā)射低通濾波器（LPF），2個(gè)接收濾波器（Saw Filter），1個(gè)SP6T開(kāi)關(guān)。

其中，功率放大器、LPF Filter和SP6T Switch被集成到一顆PA Module里。

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圖5是3G手機(jī)（WCDMA）的典型射頻前端解決方案，主要的射頻前端芯片在2G方案的基礎(chǔ)上，增加了2組PA Module和4組雙工器（Duplexer）。

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圖6是4G LTE手機(jī)典型射頻前端解決方案，支持“五模十二頻”，可以看到，在4G時(shí)代，射頻前端芯片不僅在數(shù)量上產(chǎn)生指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)復(fù)雜度上更是大大提高。

主要的射頻前端芯片有：1個(gè)集成頻段選擇開(kāi)關(guān)的多模功率放大器（MMPA），4個(gè)PA Module，3個(gè)Duplexer/Multiplexer，6個(gè)接收/發(fā)射Filter，1個(gè)用于TD-LTE模式的S1P2開(kāi)關(guān)，分別用于高頻、低頻和分集電路的3個(gè)天線開(kāi)關(guān)模塊，1個(gè)接收分集濾波器。

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表1整理了2G至4G射頻前端解決方案中器件的數(shù)量，可以看到，4G方案的射頻前端芯片數(shù)量相比2G方案和3G方案有了明顯的增長(zhǎng)。

印證了我們對(duì)手機(jī)射頻前端芯片的數(shù)量隨著支持頻段數(shù)量的增加而指數(shù)級(jí)遞增的推論。

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從更為直觀的角度觀察，圖7給出了手機(jī)射頻前端模塊從2G到4G演進(jìn)過(guò)程中價(jià)格和出貨量的變化數(shù)據(jù)。

目前，高端4G智能手機(jī)中射頻前端模塊的價(jià)格合計(jì)已經(jīng)達(dá)到16.25美元，中高端4G產(chǎn)品也有7.25美元。

相比2G手機(jī)的0.80美元和3G手機(jī)的3.25美元，射頻前端模塊的單位產(chǎn)值有了幾倍、幾十倍的提高，并且，隨著4G通信網(wǎng)絡(luò)滲透率的不斷提高，高端4G手機(jī)的出貨量依然在不斷攀升中。

Chrent精選20個(gè)手機(jī)射頻技術(shù)對(duì)答

1、什么是RF？

答：RF 即Radio frequency 射頻，主要包括無(wú)線收發(fā)信機(jī)。

2、手機(jī)RF IC處理信號(hào)的原理如何？

答：當(dāng)射頻/中頻(RF/IF)IC接收信號(hào)時(shí)，系接受自天線的信號(hào)(約800Hz～3GHz)經(jīng)放大、濾波與合成處理后，將射頻信號(hào)降頻為基帶，接著是基帶信號(hào)處理；而RF/IF IC發(fā)射信號(hào)時(shí)，則是將20KHz以下的基帶，進(jìn)行升頻處理，轉(zhuǎn)換為射頻頻帶內(nèi)的信號(hào)再發(fā)射出去。

3、一般手機(jī)射頻/中頻模塊由哪些部分組成？

答：一般手機(jī)射頻/中頻模塊系由無(wú)線接收、信號(hào)合成與無(wú)線發(fā)射三個(gè)單元組成，其中無(wú)線接收單元系由射頻頭端、混波器、中頻放大器與解調(diào)器所組成；信號(hào)合成部份包含分配器與鎖相回路；無(wú)線發(fā)射單元?jiǎng)t由功率放大器、AGC放大器與調(diào)變器組成。

4、手機(jī)基帶處理器的組成和主要功能是什么？

答：常見(jiàn)手機(jī)基帶處理器則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與儲(chǔ)存，主要組件為DSP、微控制器、內(nèi)存(如SRAM、Flash)等單元，主要功能為基帶編碼/譯碼、聲音編碼及語(yǔ)音編碼等。

5、如何理解手機(jī)的射頻、中頻和基頻？

答：手機(jī)內(nèi)部基本構(gòu)造依不同頻率信號(hào)的處理可分成射頻（ＲＦ）、中頻（ＩＦ）及基頻（ＢＦ）三大部分，射頻負(fù)責(zé)接收及發(fā)射高頻信號(hào)，基頻則負(fù)責(zé)信號(hào)處理及儲(chǔ)存等功能，中頻則是射頻與基頻的中介橋梁，使信號(hào)能順利由高頻信號(hào)轉(zhuǎn)成基頻的信號(hào)。

6、手機(jī)最后的發(fā)射頻率是在890---915Mhz，這是調(diào)頻波還是調(diào)幅波？測(cè)使用gmsk調(diào)制的gsm手機(jī)的射頻部分，為何在測(cè)試時(shí)使用固定的902.4Mhz的固定頻率？

答：GMSK調(diào)制指高斯最小頻移鍵控，是數(shù)字調(diào)制，某種程度上可以理解成是調(diào)頻，但頻率的改變以離散的（不連續(xù)的）方式進(jìn)行，而調(diào)頻純粹是模擬調(diào)制，頻率的改變是連續(xù)的。

從890MHZ到915MHZ共25MHZ頻帶寬度，信道間隔為200KHZ（即0.2MHZ），共有125個(gè)上行信道，測(cè)試時(shí)不可能125個(gè)信道都測(cè)，通常會(huì)選3個(gè)有代表性的頻點(diǎn)（信道），兩邊兩個(gè)，中間一個(gè)，902.4MHZ剛好是中間的信道。

7、推薦RF仿真軟件及其特點(diǎn)？

答：Agilent ADS仿真軟件作RF仿真。這種軟件支持分立RF設(shè)計(jì)和完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。詳情可查看Agilent網(wǎng)站。

8、哪里可以下載關(guān)于手機(jī)設(shè)計(jì)方案的相應(yīng)知識(shí)，包括幾大模快、各個(gè)模塊的功能以及由此對(duì)硬件的性能要求等內(nèi)容？

答：可以看看www.gsmworld.com和www.139130.net，或許有所幫助。關(guān)于TI的wireless solution,可以看看www.ti.com中的wireless communications。

9、在做手機(jī)RF收發(fā)部分設(shè)計(jì)時(shí)，如何解決RF干擾問(wèn)題？

答：GSM 手機(jī)是TDMA工作方式，RF收發(fā)并不是同時(shí)進(jìn)行的，減少RF干擾的基本原則是一定要加強(qiáng)匹配和隔離。在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到發(fā)射機(jī)處于大功率發(fā)射狀態(tài)，與接收機(jī)相比更容易造成干擾，所以一定要特別保證PA的匹配。

另外RF前端filter的隔離也是一個(gè)重要的指標(biāo)。PCB板一般是6層或8層，必須要有足夠的ground plane以減少RF干擾。

10、如何消除GSM突發(fā)干擾？

答：在PCB布線時(shí)，要把數(shù)字和射頻部分很好的隔離開(kāi)，必須保證好的ground plane。一些電源和信號(hào)線必須進(jìn)行有效的電容濾波。

11、選擇手機(jī)射頻芯片時(shí)，主要考慮哪些問(wèn)題？

答：在選擇射頻芯片時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：

射頻性能，包括可靠性。

集成度高，需要少的外圍原器件。

成本因素。

12、 “手機(jī)接收機(jī)前端濾波器帶寬根據(jù)接收頻率的帶寬來(lái)決定,必須保證帶內(nèi)信號(hào)以最小的插損通過(guò)，不被濾除掉。” 在滿足能有效接收信號(hào)的情況下，對(duì)前端濾波器，如果濾波器帶寬比較寬，那么濾波器的插損就小（對(duì)SAW不知是不是也是這樣），但帶內(nèi)噪聲就增加，反之相反。那么在給定接收信號(hào)頻率范圍的情況下，應(yīng)該如何來(lái)考慮濾波器的帶寬，使帶內(nèi)信號(hào)以最小的插損通過(guò)？

答：應(yīng)該從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮這個(gè)問(wèn)題，包括頻率范圍(frequency range,sensitivity)和感度(selectivity)等。可以在插損(insertion loss)、帶寬(bandwidth)和帶外抑制(out of band rejection)之間取得折衷, 只要選擇的值符合系統(tǒng)需求，就可以了。

13、怎樣解決高頻LC振蕩電路的二次諧振或者多次諧振？

答：可以改善振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)的頻率選擇性，或者利用輸入匹配電路以削弱諧波。

附相關(guān)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端口匹配結(jié)果好壞直接影響RF鏈路的信號(hào)質(zhì)量。如何最快最好地調(diào)試這些匹配電路？

答：

第一步：可以基于電路板設(shè)計(jì)使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量實(shí)際的S參數(shù)，并將其輸入到RF仿真SW中，以獲得初始的匹配網(wǎng)絡(luò)。

第二步：可以基于匹配網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果，在板上做一些進(jìn)一步的優(yōu)化工作。

附：相關(guān)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、在設(shè)計(jì)如wireless LAN card 的時(shí)候常會(huì)使用屏蔽罩用以屏蔽掉RF部分的輻射。這樣做會(huì)增加成本。有什么辦法可以少用甚至不用屏蔽罩？

答：可將高功率RF信號(hào)置于PCB中間層，并確保良好接地以減少散射。但是屏蔽罩仍是保證穩(wěn)定發(fā)射性能的首選。

附相關(guān)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的有用信號(hào)：放大100～120dB后，有用信號(hào)達(dá)到峰峰值3V～~4V，但噪聲信號(hào)也達(dá)到了300mV左右，但實(shí)際要求噪聲信號(hào)在20mV以下，如何解決？（前級(jí)放大問(wèn)題不明顯，矛盾不突出，關(guān)鍵到最后一級(jí)放大后，問(wèn)題就出現(xiàn)了。）

答：首先要確保有用信號(hào)有非常好的信噪比，然后才將其輸入放大器鏈，接著計(jì)算獲得目標(biāo)信號(hào)振幅和噪聲水平所需的增益與NF的大小，最后根據(jù)這些數(shù)據(jù)選擇合適的器件設(shè)計(jì)放大器鏈路。

附相關(guān)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、在開(kāi)發(fā)WLAN的PCB Layou時(shí)候，怎樣匹配或計(jì)算線路為50ohm.？

答：50ohm匹配由PCB層疊決定。將PCB參數(shù)(層厚度、)使用RF仿真工具計(jì)算阻抗、line thickness和line width。

附相關(guān)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、如果線路匹配不好，怎樣在網(wǎng)絡(luò)分析儀下計(jì)算所匹配的元件（L ，C）？

答：如果線路不匹配，可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量S參數(shù)，并借助史密斯圓圖使用LC元件來(lái)補(bǔ)償這種不匹配。

附相關(guān)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、在射頻電路比如放大器的設(shè)計(jì)中，其管子的信號(hào)地與偏置電路的電源地是否分開(kāi)為好，或者至少在同一層分開(kāi)？

答：一般不需要分開(kāi)信號(hào)地和電源地。

附相關(guān)英文回答原文：

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

20、不少射頻PCB布板在空域即無(wú)元件和走線的地方?jīng)]有布大面積地，這如何解釋？在微波頻段是否應(yīng)不一樣？

答：可以在DC線路上加足數(shù)的小電器。

附相關(guān)英文回答原文：

you can add enough small capacitors on DC line.