手机射频技术及最新发展趋势

近年来随着电子技术的高速发展，越来越多的功能集成到手机中。为随时随地通过网络下载各种音视频内容、接收电视节目等等，手机将集成越来越多的RF 技术，例如支持GSM、GPRS、EDGE、HSDPA、CDMA2000、WCMDA、TD-SCDMA等移动通信空中接口标准中的两个或者多个标准的双模/多模手机，可分别实现VoIP、定位导航、自动费用支付、电视节目接收的Wi-Fi手机、GPS手机、RFID手机、电视手机。这些采用多种RF技 术的手机在提供便利的同时也使得手机的设计变得复杂，如何进一步集成射频元件也变得至关重要。

手机射频单元基本构成

手机的射频部分中的关键元件主要包括RF收发器（Transceiver），功率放大器（PA），天线开关模块（ASM），前端模块（FEM），双工器，RF SAW滤波器及合成器等，如图所示。下面将着重从三个基本部分开始介绍：

手机射频单元基本构成图

RF收发器

收 发器是手机射频的核心处理单元，主要包括收信单元和发信单元，前者完成对接收信号的放大，滤波和下变频最终输出基带信号。通常采用零中频和数字低中频的方 式实现射频到基带的变换；后者完成对基带信号的上变频、滤波、放大。主要采用二次变频的方式实现基带信号到射频信号的变换。当射频/中频(RF /IF)IC接收信号时，收信单元接受自天线的信号(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/IFIC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。

收发器领域厂家分为两大类，一 类是依托基频平台，将收发器作为平台的一部分，如高通和联发科（之前的德州仪器、NXP、飞思卡尔等已退出手机射频收发器市场）。这是因为收发器与基频的 关系非常密切，两者通常需要协同设计。另一类是专业的射频厂家，不依靠基频平台来拓展收发器市场，如英飞凌、意法半导体、RFMD和SKYWORKS。后 一类厂家中英飞凌和意法半导体都是为诺基亚定做收发器，英飞凌还为曾摩托罗拉和索尼爱立信定做3G时代的收发器。意法半导体的手机射频业务则是全部围绕诺 基亚展开，没有任何对外销售的产品，只有诺基亚一个客户。

收发器正朝集成化和多模化前进，集成化是因为手机行家对持续降低成本的要求，绝大 多数的厂家的收发器半导体制造工艺已转换为RF CMOS，单模的收发器完全集成到基频里。SILICON LAB和英飞凌是最早用CMOS工艺制造收发器的公司。高通在收购Berkana后，也大力采用RF CMOS工艺。一批新进射频厂家无一例外都采用RF CMOS工艺，甚至是最先进的65纳米RF CMOS工艺。老牌的飞利浦、FREESCALE、意法半导体和瑞萨仍然**用传统工艺，主要是SiGe BiCMOS 工艺，诺基亚仍然大量使用意法半导体的射频收发器。不过意法半导体在合并了NXP和爱立信移动平台后推出基频的能力大大增强。多模化是对厂家能力的挑战， 未来的3G、4G手机很有可能多模，支持WCDMA、LTE和WIMAX等多种技术标准，而实力不济的厂家将会出局。

功率放大器（PA）

PA 用于将收发器输出的射频信号放大，通常有三种实现方式：分立晶体管电路、单片微波集成电路（MMIC）和功率放大器模块（PAM），分立电路是最古老也是 最便宜的解决方案，至今仍在广泛应用，一般选用的是成本较低的硅双极器件。其主要缺点是手机制造商必须拥有丰富的射频电路设计经验，能自己完成PA的设 计。因此对于超过1Ghz以上的系统的PA的快速开发，分立电路缺乏吸引力。而这正是MMIC的优势所在，MMIC过去采用GaAs MESFET制造，现在多采用砷化镓异质结双极晶体管(GaAs HBT)工艺制造。在MMIC方案中，输入一般不集成在芯片中，要求手机制造商掌握的射频电路设计知识比较少。然而MMIC仍不能提供所有的功放功能，价 格和效率在实际应用中也经常被必需的外部匹配元件而抵消。PAM则提供的是完全的射频功能，采用功放模块，手机制造商仅需要很少的射频知识，从而最终降低 了功放的成本。目前市面上的PAM采用的有双极硅、LDMOS(横向扩散金属氧化硅)或GaAsHBT工艺，PAM的主要优点是可以结合不同的技术，从而 容易增加新的功能。

功率放大领域则是一个有门槛的独立的领域，也是手机里无法集成化的元件，同时这也是手机中最重要的元件，手机的通话质 量、信号接收能力、电池续航能力都由功率放大器决定。一般厂家选定功率放大器之后，更换供应商的可能非常非常小。功率放大器领域主要厂家是RFMD、 SKYWORKS、RENESAS、NXP、AVAGO、TRIQUINT、ANADIGICS。

前端模块（FEM）

前 端模块集成了开关和射频滤波器，完成天线接收和发射的切换、频段选择、接收和发射射频信号的滤波。在2GHz以下的频段，许多射频前端模块以互补金属氧化 物半导体 （CMOS）、双极结型晶体管 （BJT）、硅锗 （SiGe）或Bipolar CMOS等硅集成电路制程设计，逐渐形成主流。由于硅集成电路具有成熟的制程，足以设计庞大复杂的电路，加上可以与中频与基频电路一起设计，因而有极大的 发展潜力。其它异质结构晶体管亦在特殊用途的电路崭露头角；然而在5GHz以上的频段，它在低噪声特性、高功率输出、功率增加效率的表现均远较砷化镓场效 晶体管逊色，现阶段砷化镓场效晶体管制程仍在电性功能的表现上居优势。射频前端模块电路设计以往均着重功率放大器的设计，追求低电压操作、高功率输出、高 功率增加效率，以符合使用低电压电池，藉以缩小体积，同时达到省电的要求。功率增加效率与线性度往往无法兼顾，然而在大量使用数字调变技术下，如何保持良 好的线性度，成为必然的研究重点。

手机RF模块发展趋势

随着手机制造商继续开发支持更多的频段和精简射频架构的手机，将3G手机中使用的GSM、EDGE、WCDMA和HSPA等多种频段和空中接口模块整合在一个高度集成、经过优化的RF模块中，已经成为3G手机设计射频方案的首选。

据 iSuppli预测，手机中的射频(RF)前端将越来越多地采用集成模块，因为它可以使子系统简化、成本下降和尺寸缩小，为手机增加新功能、节省提供空 间，并为实现单芯片前端解决方案创造条件。随着前端模块(FEMs)到射频(RF)收发器模块相继投入使用，手机RF前端的整合之路一直在持续发展。事实 上，早在RF收发器采用直接转换或零中频(ZIF)架构(先消除中频段，随后消除IF声表面波滤波器)的时候，前端集成就已经开始了。随着收发器架构的演 进，外部合成元件(即电压控制振荡器和锁相环)已经被直接集成在收发器的芯片中。高集成度实现了成本的降低以及电路板尺寸的减小。向高集成度发展的趋势没 有任何停止的迹象。不过，由于集成的途径非常多，因此在设计时必须仔细加以考虑。

几年前，TriQuint公司意识到高集成模块为客户带来 的好处并且开始构建和调整产品以满足此需要，通过自身发展和并购增强了自身专业技术能力，进而掌握了业界最全面的室内技术组合并实现了最高水平的集成。 TriQuint亚太区销售总裁RichardLin说道，“我们是市场上唯一的能够提供集成放大器(PA)、开关、低通滤波器、功率放大器和开关控制器 产品的厂商，TriQuint公司的战略就是模块化，模块化的产品尤其受中国客户的欢迎。这也是我们公司近年来高速成长的主要原因，去年TriQuint 在中国的业务成长超过了30％。”他认为高度集成的模块化RF符合了客户需求的变化，代表了未来的发展方向。另外从市场需求来看，Richard Lin认为RF领域呈现两极化方向发展，即先进国家对需要集成多个开关和PA的高端智能手机需求强劲，而中国、印度、巴西等发展中国家则是拉动低端市场需 求的力量。

此外，在手机的开发设计过程中，须时刻考虑终端用户的需求和利益。在手机的设计和开发过程中，往往要面对成本和性能以及性能和风 格上的取舍，如今手机正朝着多频多模的趋势发展，在此种情况下，手机风格往往只能妥协。而现今，我们很高兴看到，美国无线电频率公司Paratek已开发 出一种薄膜材料用于生产改善手机性能的集成电路和其他组件，同时能够减少天线等手机组件的数量和尺寸，Paratek的ParaScan材料技术能够在一 定范围内进行电子调频，并且扫描天线电波，这样内置天线更小更薄，更重要的是，手机内的RF调谐意味着手机通话时间、通话质量、电池寿命都将增加和提高， 这也意味着在面临风格和性能的取舍时，手机设计人员不再需要妥协，可以使手机在性能保持不变或更佳时得到更轻薄时尚的产品。