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2018手机射频前端知识宝典
时间:2018-09-19 16:37:55  作者:临测检测技术(上海)有限公司  点击:
根据Yole报告《手机射频前端模块和组件-2017版》,到2022年射频前端(FEM)市场将达到227亿美元,复合增长率达到14%。随着4G特别是未来5G的发展,手机射频前端器件需求量增长,变得越来越重要,在手机所占的成本也越来越高。

一、手机射频前端技术趋势

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。FDA认证

手机射频前端主要包括功率放大器(Power Amplifier)、天线开关(Antenna Switch)、滤波器(Filter)/双工器(Duplexer)、低噪声放大器(LNA)等器件,再加上基带芯片组成了手机射频系统。
2018手机射频前端知识宝典

这一块市场的全球主要参与者包括Skyworks、Qorvo、Avago、TDK、Murata等,本文不从市场角度去探讨,而主要从技术发展趋势的角度来做介绍。

从总的趋势来说,4G特别是5G的发展,带来了更多的频段和制式,由于手机设计的空间有限,需要尽可能的集成,同时要满足性能的需求,也因此带来了工艺的改进。比如PA与不同频段开关及滤波器的集成,以及不同频率的PA集成。同时,为了进一步提高数据吞吐量,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)、载波聚合和包络(ET)技术的更广泛应用。下面分别介绍各类主要器件。

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 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 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,比如2014年发布的中兴手机。

二、主要手机射频芯片厂家

1、Infineon

官网:http://www.infineon.com/

简介:在无线通信业务领域,英飞凌的产品包括面向射频连接、无绳和移动电话以及无线网络基础设施的芯片和芯片解决方案。 英飞凌的主要目标之一就是将各种射频功能集成于手机芯片中,例如收发器、滤波器、开关和功率放大器等,同时采用CMOS制造工艺。

2、Peregrine

官网:http://www.psemi.com/

简介:Peregrine半导体是村田公司,是高性能射频集成电路或RFIC的领先无厂商提供商。该公司的解决方案利用了UltraCMOS技术,这是一种获得专利的高级绝缘体(SOI)形式,可将多个RF,模拟和数字功能设计,制造和集成到单个芯片上。主营天线开关。

3、TDK

官网:http://en.tdk.eu/

简介:是世界上 大的电子元器件制造商之一,产品主要市场在通信领域、消费领域、汽车领域及工业电子领域。 旗下从事射频模组业务的子公司:Epcos。

4、Murata

官网:http://www.murata.com/

简介:村田公司是一家使用性能优异电子原料,设计、制造 先进的电子元器件及多功能高密度模块的企业,收购Renesas的功率放大器业务。主营陶瓷电容、陶瓷滤波器、高频零件、无线传感器等。

5、Qorvo

官网:http://www.qorvo.com/

简介:Qorvo 由RFMD 和 TriQuint合并而成。兼具 RFMD 和 TriQuint 的技术、集体经验和智慧资源,是移动、基础设施和国防应用领域可扩展和动态 RF 解决方案的全球领导者。

6、Skyworks

官网:http://www.skyworksinc.com/

简介:思佳讯的半导体解决方案支持的领域包括汽车、航空航天与国防、计算、互联家庭、消费电子产品、媒体、医疗、移动设备、联网、智能能源和可佩戴设备。主营射频及无线半导体解决方案、放大器、衰减器、检波器、二极管、定向耦合器、前端模块等。

7、Avago

官网:www.avago.org.cn

简介:Avago (安华高科技)公司是一家设计、研发并向全球客户广泛提供各种模拟半导体设备的供应商,公司主要提供复合 III-V 半导体产品,收购了博通。主营无线通信、有线基础设施、工业和汽车电子产品、消费电子和计算机外围设备。

8、SmarterMicro

官网:http://www.smartermicro.com/

简介:广州智慧微电子公司从事微波器件和射频模拟集成电路芯片设计、开发、销售并提供相关技术咨询和技术服务。核心技术团队专长于射频、模拟及SOC研发,创造了多项国际先进的发明专利及核心技术。

9、Huntersun

官网:http://www.huntersun.com.cn/

简介:汉天下电子有限公司于2012年7月创办,专注于射频/模拟集成电路芯片和SOC系统集成芯片的开发,以及物联网核心技术芯片及应用解决方案的研发和推广。主要产品:手机终端2G/2.5G/3G/4G无线射频前端/功放系列核心芯片和无线连接芯片。

10、RDA

官网:http://www.rdamicro.com/

简介:锐迪科致力于射频及混合信号芯片和系统芯片的设计、开发、制造、销售并提供相关技术咨询和技术服务。产品主要包括GSM基带/多制式射频收发器芯片/多制式射频功放芯片/蓝牙、无 线、调频收音组合芯片/机顶盒调谐器/数字及模拟电视芯片/对讲机收发器/卫星电视高频头等。

11、Vanchip

官网:http://www.vanchiptech.com

简介:唯捷创芯(天津)电子技术股份有限公司2010年成立于天津滨海新区。在上海、北京、深圳、苏州设有研发中心及办事处。公司致力于射频与高端模拟集成电路的研发,是集设计、测试、销售一体化的集成电路设计公司。公司目前的主要产品是射频功率放大器,广泛应用于2G/3G/4G手机及其它智能移动终端。

12、中普微电子

官网:http://www.cuct.com.cn/

简介:公司从事射频IC设计、研发及销售,产品涵盖GSM、W-CDMA、TD-SCDMA、CDMA2000以及快速演变的TD-LTE,提供2G/3G/4G全面的射频前端解决方案。目前公司产品以其高性价比的优势在市场上备受欢迎,得到众多客户包括品牌商的肯定。CUCT的的前瞻性TD-LTE射频功放技术突显了CUCT能够为全球4G市场提供成熟的射频解决方案。

13、国民飞骧

简介:2015年从国民技术分离出来。2010年开始依托国内市场开发国产射频功率放大器和射频开关。2011年,其NZ5081应用于宇龙酷派8180 TD-SCDMA手机,是第一个应用于智能手机的国产PA(RDA是第一个应用于国产功能机的PA)。2015年,phase 1射频功放做进红米2A手机。国民飞骧已经拥有了国内同行业内 完整、 齐全的4G射频解决方案,覆盖包括MTK、高通、展讯、联芯、Marvell等各种平台。



三、20个手机射频常见问答

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 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 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 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 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 快 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。

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 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, 后根据这些数据选择合适的器件设计放大器链路。

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。

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。

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。

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。

you can add enough small capacitors on DC line.
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