【導讀】手機在向雙模/多模發(fā)展的同時集成了越來越多的RF技術。手機射頻模塊有哪些基本構成？它們又將如何集成？RF收發(fā)器，功率放大器，天線開關模塊，前端模塊，雙工器，SAW濾波器……跟著本文，來一一認識手機射頻技術和射頻模塊的關鍵元件們吧！
進入移動互聯(lián)網時代，手機集成了越來越多的RF技術，比如支持LTE、TD-SCDMA、WCMDA、CDMA2000、HSDPA、EDGE、GPRS、GSM中多個標準的雙模/多模手機，可實現(xiàn)VoIP、導航、自動支付、電視接收的Wi-Fi、GPS、RFID、NFC手機。采用多種RF技術使手機的設計變得越來越復雜。
手機射頻技術和手機射頻模塊基本構成
3G手機射頻部分由射頻接收和射頻發(fā)送兩部分組成，其主要電路包括天線、無線開關、接收濾波、頻率合成器、高頻放大、接收本振、混頻、中頻、發(fā)射本振、功放控制、功放等。
總體來說，基本的手機射頻部分中的關鍵元件主要包括RF收發(fā)器(Transceiver)，功率放大器(PA)，天線開關模塊(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：
圖 手機射頻模塊基本構成圖
手機射頻模塊功率放大器(PA)
功率放大器(PA)用于將收發(fā)器輸出的射頻信號放大。功率放大器領域是一個有門檻的獨立的領域，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，手機性能、占位面積、通話質量、手機強度、電池續(xù)航能力都由功率放大器決定。
功率放大器領域主要廠家是RFMD、Skyworks、TriQuint、Renesas、NXP、Avago、ANADIGICS。現(xiàn)在，原本是PA企業(yè)合作伙伴的高通，也直接加入到PA市場中，將在2013年下半年推出以CMOS制程生產的PA，支持LTE-FDD、LTE-TDD、WCDMA、EV-DO、CDMA 1x、TD-SCDMA與GSM/EDGE七種模式，頻譜將涵蓋全球使用中的逾40個頻段，以多頻多模優(yōu)勢宣布進軍PA產業(yè)。
PA市場經歷了LDMS PA“擂主”時代之后，砷化鎵(GaAs)PA成為3G時代PA市場的“擂主”。當年帶領砷化鎵攻打PA市場的TriQuint正在積極布局砷化鎵的藍圖，針對3G/4G智能手機擴展連接推出高效率多頻多模功率放大器MMPA。
而高通以CMOS PA攻擂PA市場，未來PA可能會成為手機平臺的一部分，并會出現(xiàn)手機芯片平臺企業(yè)收購、兼并PA企業(yè)的現(xiàn)象。
如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業(yè)界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成；另一種架構則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優(yōu)缺點，適用于不同的手機。融合架構，PA的集成度高，對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優(yōu)勢，5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優(yōu)勢。缺點是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當復雜，并且PA集成時有開關損耗，性能會受影響。而對于后一種架構，性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節(jié)省幾十毫安電流，相當于延長15%的通話時間。所以，業(yè)內人士的建議是，大于6個頻段時（不算2G，指3G和4G）采用融合架構，而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。目前TriQuint可提供兩種架構的方案，RFMD主要偏向于融合PA的架構，Skyworks偏向于多頻PAD方案。
手機射頻模塊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，轉換為射頻頻帶內的信號再發(fā)射出去。
前些年收發(fā)器領域廠家分為兩大類，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)器與基頻的關系非常密切，兩者通常需要協(xié)同設計。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、和Skyworks。
隨著收發(fā)器向集成化和多?；l(fā)展，單模的收發(fā)器已經完全集成到基頻里。不同頻段和制式的射頻前端器件也一直在以不同的方式集生產。分立的RF收發(fā)器越來越少見。
手機射頻前端模塊(FEM)
前端模塊集成了開關和射頻濾波器，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)、雙極結型晶體管 (BJT)、硅鍺 (SiGe)或Bipolar CMOS等硅集成電路制程設計，逐漸形成主流。由于硅集成電路具有成熟的制程，足以設計龐大復雜的電路，加上可以與中頻與基頻電路一起設計，因而有極大的發(fā)展?jié)摿?。其它異質結構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計以往均著重功率放大器的設計，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)字調變技術下，如何保持良好的線性度，成為必然的研究重點。
比如，2013年初出現(xiàn)的高集成智能手機前端模塊，除了覆蓋傳統(tǒng)的GSM850、900、1800和1900 MHz頻段以外，還涵蓋WCDMA 第1、2、4和5頻段，以及LTE第2、4、5和17頻段。除三個聲表面波濾波器和五個雙工器以外，該模塊還包含頻段選擇開關和解碼器，同時在天線輸出端還帶有可防護高達4 kV的ESD保護電路。
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、經過優(yōu)化的RF模塊中，已經成為3G手機設計射頻方案的首選。
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)器采用直接轉換或零中頻(ZIF)架構(先消除中頻段，隨后消除IF聲表面波濾波器)的時候，前端集成就已經開始了。隨著收發(fā)器架構的演進，外部合成元件(即電壓控制振蕩器和鎖相環(huán))已經被直接集成在收發(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，因此在設計時必須仔細加以考慮。
高通推出PA，完善其平臺化手機解決方案就是一個集成化的例子。此前手機平臺方案主要包括手機基帶芯片、應用處理器、射頻芯片、電源管理以及連接芯片，PA沒有在平臺方案內，而是有其單獨的供應商。高通推出PA，更多的是想使其解決方案更趨‘平臺化’。
近幾年來，聚焦射頻（RF）技術，提供射頻模塊最新動態(tài)的網站也越來越多。比如mouser 2013年初推出的射頻無線技術網站：http://www.mouser.cn/applications/rf-wireless-technology/幫助設計工程師挑選無線電頻率經驗證的最新集成解決方案和即插即用模塊，并即時為現(xiàn)有應用增加無線功能。該解決方案中心匯聚了來自Skyworks、Murata、Panasonic和TexasInstruments等業(yè)界領先的制造商提供的最新射頻模塊。這些射頻解決方案同時按頻率范圍（1GHz以下、1-5GHz和5GHz以上）和協(xié)議（藍牙、ZigBee、Wi-Fi和GPS）兩種方式分類。
