射頻芯片的工作原理與電路分析

傳統(tǒng)來說，一部可支持打電話、發(fā)短信、網(wǎng)絡服務、APP 應用的手機，一般包含五個部分部分：射頻部分、基帶部分、電源管理、外設、軟件。

射頻：一般是信息發(fā)送和接收的部分;

基帶：一般是信息處理的部分;

電源：一般是節(jié)電的部分，由于手機是能源有限的設備，所以電源管理十分重要;

外設：一般包括 LCD，鍵盤，機殼等;

軟件：一般包括系統(tǒng)、驅(qū)動、中間件、應用。

在手機終端中，最重要的核心就是射頻芯片和基帶芯片。射頻芯片負責射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大;基帶芯片負責信號處理和協(xié)議處理。那么射頻芯片和基帶芯片是什么關系?

射頻芯片和基帶芯片的關系

先講一下歷史，射頻(Radio Frenquency)和基帶(Base Band)皆來自英文直譯。其中射頻最早的應用就是 Radio——無線廣播(FM/AM)，迄今為止這仍是射頻技術乃至無線電領域最經(jīng)典的應用。

基帶則是 band 中心點在 0Hz 的信號，所以基帶就是最基礎的信號。有人也把基帶叫做“未調(diào)制信號”，曾經(jīng)這個概念是對的，例如 AM 為調(diào)制信號(無需調(diào)制，接收后即可通過發(fā)聲元器件讀取內(nèi)容)。

但對于現(xiàn)代通信領域而言，基帶信號通常都是指經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的，頻譜中心點在 0Hz 的信號。而且沒有明確的概念表明基帶必須是模擬或者數(shù)字的，這完全看具體的實現(xiàn)機制。

言歸正傳，基帶芯片可以認為是包括調(diào)制解調(diào)器，但不止于調(diào)制解調(diào)器，還包括信道編解碼、信源編解碼，以及一些信令處理。而射頻芯片，則可看做是最簡單的基帶調(diào)制信號的上變頻和下變頻。

所謂調(diào)制，就是把需要傳輸?shù)男盘?，通過一定的規(guī)則調(diào)制到載波上面讓后通過無線收發(fā)器(RF Transceiver)發(fā)送出去的工程，解調(diào)就是相反的過程。

工作原理與電路分析

射頻簡稱 RF 射頻就是射頻電流，是一種高頻交流變化電磁波，為是 Radio Frequency 的縮寫，表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍在 300KHz～300GHz 之間。每秒變化小于 1000 次的交流電稱為低頻電流，大于 10000 次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。高頻(大于 10K);射頻(300K-300G)是高頻的較高頻段;微波頻段(300M-300G)又是射頻的較高頻段。射頻技術在無線通信領域中被廣泛使用，有線電視系統(tǒng)就是采用射頻傳輸方式。

射頻芯片指的就是將無線電信號通信轉(zhuǎn)換成一定的無線電信號波形， 并通過天線諧振發(fā)送出去的一個電子元器件，它包括功率放大器、低噪聲放大器和天線開關。射頻芯片架構包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。

射頻電路方框圖

接收電路的結構和工作原理

接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號經(jīng)濾波，高頻放大后，送入中頻內(nèi)進行解調(diào)，得到接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進一步處理。

該電路掌握重點：1、接收電路結構;2、各元件的功能與作用;3、接收信號流程。

1. 電路結構

接收電路由天線、天線開關、濾波器、高放管(低噪聲放大器)、中頻集成塊(接收解調(diào)器)等電路組成。早期手機有一級、二級混頻電路，其目的把接收頻率降低后再解調(diào)(如下圖)。

接收電路方框圖

2. 各元件的功能與作用

1)、手機天線：

結構：(如下圖)

由手機天線分外置和內(nèi)置天線兩種;由天線座、螺線管、塑料封套組成。

作用：a)、接收時把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號。b)、發(fā)射時把功放放大后的交流電流轉(zhuǎn)化為電磁波信號。

2)、天線開關：

結構：(如下圖)

手機天線開關(合路器、雙工濾波器)由四個電子開關構成。

作用：a)、完成接收和發(fā)射切換; b)、完成 900M/1800M 信號接收切換。

邏輯電路根據(jù)手機工作狀態(tài)分別送出控制信號(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN)，令各自通路導通，使接收和發(fā)射信號各走其道，互不干擾。

由于手機工作時接收和發(fā)射不能同時在一個時隙工作(即接收時不發(fā)射，發(fā)射時不接收)。因此后期新型手機把接收通路的兩開關去掉，只留兩個發(fā)射轉(zhuǎn)換開關;接收切換任務交由高放管完成。

3)、濾波器：

結構：手機中有高頻濾波器、中頻濾波器。

作用：濾除其他無用信號，得到純正接收信號。后期新型手機都為零中頻手機;因此，手機中再沒有中頻濾波器。

4)、高放管(高頻放大管、低噪聲放大器)：

結構：手機中高放管有兩個：900M 高放管、1800M 高放管。都是三極管共發(fā)射極放大電路;后期新型手機把高放管集成在中頻內(nèi)部。

高頻放大管供電圖

作用：a)、對天線感應到微弱電流進行放大，滿足后級電路對信號幅度的需求。b)、完成 900M/1800M 接收信號切換。

理：a)、供電：900M/1800M 兩個高放管的基極偏壓共用一路，由中頻同時路提供;而兩管的集電極的偏壓由中頻 CPU 根據(jù)手機的接收狀態(tài)命令中頻分兩路送出;其目的完成 900M/1800M 接收信號切換。

b)、原理：經(jīng)過濾波器濾除其他雜波得到純正 935M-960M 的接收信號由電容器耦合后送入相應的高放管放大后經(jīng)電容器耦合送入中頻進行后一級處理。

5)、中頻(射頻接囗、射頻信號處理器)：

結構：由接收解調(diào)器、發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器等電路組成;新型手機還把高放管、頻率合成、26M 振蕩及分頻電路也集成在內(nèi)部(如下圖)。

作用：

a)、內(nèi)部高放管把天線感應到微弱電流進行放大;

b)、接收時把 935M-960M(GSM)的接收載頻信號(帶對方信息)與本振信號(不帶信息)進行解調(diào)，得到 67.707KHZ 的接收基帶信息;

c)、發(fā)射時把邏輯電路處理過的發(fā)射信息與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻;

d)、結合 13M/26M 晶體產(chǎn)生 13M 時鐘(參考時鐘電路);

e)、根據(jù) CPU 送來參考信號，產(chǎn)生符合手機工作信道的本振信號。

3. 接收信號流程

手機接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號，經(jīng)過天線開關接收通路，送高頻濾波器濾除其它無用雜波，得到純正 935M-960M(GSM)的接收信號，由電容器耦合送入中頻內(nèi)部相應的高放管放大后，送入解調(diào)器與本振信號(不帶信息)進行解調(diào)，得到 67.707KHZ 的接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進一步處理。

發(fā)射電路的結構和工作原理

發(fā)射時，把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息調(diào)制成的發(fā)射中頻，用 TX-VCO 把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)?890M-915M(GSM)的頻率信號。經(jīng)功放放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

該電路掌握重點：(1)、電路結構;(2)、各元件的功能與作用;(3)、發(fā)射信號流程。

1. 電路結構

發(fā)射電路由中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器;發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、發(fā)射互感器等電路組成。(如下圖)

發(fā)射電路方框圖

2. 各元件的功能與作用

1)、發(fā)射調(diào)制器：

結構：發(fā)射調(diào)制器在中頻內(nèi)部，相當于寬帶網(wǎng)絡中的 MOD。

作用：發(fā)射時把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻。

2)、發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)：

結構：發(fā)射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點式振蕩電路;在生產(chǎn)制造時集成為一小電路板上，引出五個腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M 頻段切換腳。當有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應頻率信號。

作用：把中頻內(nèi)調(diào)制器調(diào)制成的發(fā)射中頻信號轉(zhuǎn)為基站能接收的 890M-915M(GSM)的頻率信號。

原理：眾所周知，基站只能接收 890M-915M(GSM)的頻率信號，而中頻調(diào)制器調(diào)制的中頻信號(如三星發(fā)射中頻信號 135M)基站不能接收的，因此，要用 TX-VCO 把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)?890M-915M(GSM)的頻率信號。

當發(fā)射時，電源部分送出 3VTX 電壓使 TX-VCO 工作，產(chǎn)生 890M-915M(GSM)的頻率信號分兩路走：a)、取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進行較;若 TX-VCO 振蕩出頻率不符合手機的工作信道，則鑒相器會產(chǎn)生 1-4V 跳變電壓(帶有交流發(fā)射信息的直流電壓)去控制 TX-VCO 內(nèi)部變?nèi)?a target="_blank">二極管的電容量，達到調(diào)整頻率準確性目的。b)、送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

從上看出：由 TX-VCO 產(chǎn)生頻率到取樣送回中頻內(nèi)部，再產(chǎn)生電壓去控制 TX-VCO 工作;剛好形成一個閉合環(huán)路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱發(fā)射鎖相環(huán)電路。

3)、功率放大器(功放)：

結構：目前手機的功放為雙頻功放(900M 功放和 1800M 功放集成一體)，分黑膠功放和鐵殼功放兩種;不同型號功放不能互換。

作用：把 TX-VCO 振蕩出頻率信號放大，獲得足夠功率電流，經(jīng)天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。

值得注意：功放放大的是發(fā)射頻率信號的幅值，不能放大他的頻率。

功率放大器的工作條件：

a)、工作電壓(VCC)：手機功放供電由電池直接提供(3.6V);

b)、接地端(GND)：使電流形成回路;

c)、雙頻功換信號(BANDSEL)：控制功放工作于 900M 或工作于 1800M;

d)、功率控制信號(PAC)：控制功放的放大量(工作電流);

e)、輸入信號(IN);輸出信號(OUT)。

4)、發(fā)射互感器：

結構：兩個線徑和匝數(shù)相等的線圈相互靠近，利用互感原理組成。

作用：把功放發(fā)射功率電流取樣送入功控。

原理：當發(fā)射時功放發(fā)射功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生與功率電流同樣大小的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控。

5)、功率等級信號：

所謂功率等級就是工程師們在手機編程時把接收信號分為八個等級，每個接收等級對應一級發(fā)射功率(如下表)，手機在工作時，CPU 根據(jù)接的信號強度來判斷手機與基站距離遠近，送出適當?shù)陌l(fā)射等級信號，從而來決定功放的放大量(即接收強時，發(fā)射就弱)。

附功率等級表：

6)、功率控制器(功控)：

結構：為一個運算比較放大器。

作用：把發(fā)射功率電流取樣信號和功率等級信號進行比較，得到一個合適電壓信號去控制功放的放大量。

原理：當發(fā)射時功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時編程時預設功率等級信號也送入功控;兩個信號在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命(功控電壓高，功放功率就大)。

3. 發(fā)射信號流程

當發(fā)射時，邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，送入中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器，與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻。而中頻信號基站不能接收的，要用 TX-VCO 把發(fā)射中頻信號頻率上升為 890M-915M(GSM)的頻率信號基站才能接收。當 TX-VCO 工作后，產(chǎn)生 890M-915M(GSM)的頻率信號分兩路走：

a)、一路取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進行較;若 TX-VCO 振蕩出頻率不符合手機的工作信道，則鑒相器會產(chǎn)生一個 1-4V 跳變電壓去控制 TX-VCO 內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量，達到調(diào)整頻率目的。

b)、二路送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當發(fā)射時功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時編程時預設功率等級信號也送入功控;兩個信號在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命。

國產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

在射頻芯片領域，市場主要被海外巨頭所壟斷，海外的主要公司有 Qrovo，skyworks 和 Broadcom;國內(nèi)射頻芯片方面，沒有公司能夠獨立支撐 IDM 的運營模式，主要為 Fabless 設計類公司;國內(nèi)企業(yè)通過設計、代工、封裝環(huán)節(jié)的協(xié)同，形成了“軟 IDM“”的運營模式。

射頻芯片設計方面，國內(nèi)公司在 5G 芯片已經(jīng)有所成績，具有一定的出貨能力。射頻芯片設計具有較高的門檻，具備射頻開發(fā)經(jīng)驗后，可以加速后續(xù)高級品類射頻芯片的開發(fā)。目前，具備射頻芯片設計的公司有紫光展銳、唯捷創(chuàng)芯、中普微、中興通訊、雷柏科技、華虹設計、江蘇鉅芯、愛斯泰克等。

射頻芯片代工方面，臺灣已經(jīng)成為全球最大的化合物半導體芯片代工廠，臺灣主要的代工廠有穩(wěn)懋、宏捷科和寰宇，國內(nèi)僅有三安光電和海威華芯開始涉足化合物半導體代工。三安光電是國內(nèi)目前國內(nèi)布局最為完善，具有 GaAs HBT/pHEMT 和 GaNSBD/FET 工藝布局，目前在于國內(nèi) 200 多家企事業(yè)單位進行合作，有 10 多種芯片通過性能驗證，即將量產(chǎn)。海威華芯為海特高新控股的子公司，與中國電科 29 所合資，目前具有 GaAs 0.25um PHEMT 工藝制程能力。

射頻芯片封裝方面，5G 射頻芯片一方面頻率升高導致電路中連接線的對電路性能影響更大，封裝時需要減小信號連接線的長度;另一方面需要把功率放大器、低噪聲放大器、開關和濾波器封裝成為一個模塊,一方面減小體積另一方面方便下游終端廠商使用。為了減小射頻參數(shù)的寄生需要采用 Flip-Chip、Fan-In 和 Fan-Out 封裝技術。

Flip-Chip 和 Fan-In、Fan-Out 工藝封裝時，不需要通過金絲鍵合線進行信號連接，減少了由于金絲鍵合線帶來的寄生電效應，提高芯片射頻性能;到 5G 時代，高性能的 Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out 結合 Sip 封裝技術會是未來封裝的趨勢。

Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out 和 Sip 封裝屬于高級封裝，其盈利能力遠高于傳統(tǒng)封裝。國內(nèi)上市公司，長電科技收購星科金朋后，形成了完整的 FlipChip+Sip 技術的封裝能力。

審核編輯：湯梓紅