無(wú)線通信系統(tǒng)和手機(jī)的射頻集成策略

信息在通信系統(tǒng)的兩點(diǎn)傳輸過(guò)程中，射頻功能扮演了重要角色。在這類系統(tǒng)中，RF功能通常與其它功能在物理上分離，RF發(fā)射與接收一般是由不同的IC來(lái)實(shí)現(xiàn)。為減小系統(tǒng)尺寸并降低成本，人們不斷探索將RF與系統(tǒng)其它功能集成的方法，其中特別是DSP技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了十分重要的影響。除了這種RF與非RF集成的發(fā)展趨勢(shì)外，RF器件本身還有其它集成發(fā)展趨勢(shì)。這些不同的發(fā)展趨勢(shì)是因?yàn)椴煌到y(tǒng)需要不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的RF功能。例如，在將接收信號(hào)傳遞到低噪聲放大器(LNA)之前，有些系統(tǒng)要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效濾波，這需要采用陶瓷濾波器或聲表面波(SAW)濾波器來(lái)對(duì)接收信號(hào)濾波，但這些濾波器都不能集成到接收器IC中。

　
低頻與高頻系統(tǒng)的區(qū)別

　　低頻與高頻系統(tǒng)之間的一個(gè)重要區(qū)別是，后者只能在發(fā)射器與接收器之間不存在阻擋的情況下才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，而低頻系統(tǒng)沒(méi)有這樣的要求，因此能實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋面積。低頻和高頻之間并沒(méi)有明顯的分界點(diǎn)，其過(guò)度頻率在2-5GHz之間，并取決于系統(tǒng)特性，例如發(fā)射器輸出功率和接收器靈敏度。本文以2.4GHz射頻前端模塊 target=_blank>2.4GHz作為高低頻率的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。高頻系統(tǒng)還可以分為長(zhǎng)距離系統(tǒng)和短距離系統(tǒng)。長(zhǎng)距離系統(tǒng)如雷達(dá)、衛(wèi)星鏈路、基站鏈路、固定無(wú)線寬帶接入(FWBA)等，這些系統(tǒng)要求的發(fā)射功率都高于短距離系統(tǒng)，如藍(lán)牙和802.11a/b等。

　　
高頻RF集成

　　短距離無(wú)線通信系統(tǒng)的目標(biāo)市場(chǎng)是消費(fèi)電子市場(chǎng)，因而要求尺寸小且成本低，并且隨著通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸視頻流的應(yīng)用需求增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率將不斷增加。這些系統(tǒng)基本上都是便攜式電池供電的產(chǎn)品，要求長(zhǎng)的待機(jī)和通話時(shí)間。

　　由于工作在高頻段的發(fā)射器較少，因此高頻率系統(tǒng)(高于2.4GHz)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬和適中的接收器選擇特性。同樣，接收器的信噪比(S/N)很高，因而發(fā)射器的輸出功率可以較低。例如，802.11b在2.4GHz時(shí)具有11Mbps的帶寬，802.11a在5GHz下可以高達(dá)54Mbps。采用更寬的波段或更復(fù)雜的調(diào)制方法要求更嚴(yán)格的信號(hào)線性度，而線性度與發(fā)射器緊密相關(guān)。

　　系統(tǒng)采用的工藝技術(shù)與所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率有關(guān)，圖1為CMOS和BiCOS所能實(shí)現(xiàn)的工作頻率發(fā)展比較。假設(shè)fmax與能得到的工作頻率直接相關(guān)，很明顯CMOS是比較好的選擇。此外，CMOS還能滿足不嚴(yán)格的選擇性、信噪比和輸出功率要求，但由于工作電壓低而使動(dòng)態(tài)性能降低。然而，由于很多系統(tǒng)工作于開(kāi)放頻段上，這樣在發(fā)射器和接收器之間將可能有很多發(fā)射設(shè)備互相干擾，如微波爐干擾藍(lán)牙通訊就是一個(gè)典型實(shí)例。

　　盡管CMOS在高頻具有這些優(yōu)勢(shì)，但BiCMOS技術(shù)具有雙極技術(shù)的RF模型、晶體管參數(shù)匹配的優(yōu)點(diǎn)，而且BiCMOS設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)更豐富。在工藝選擇上尺寸并不是主要考慮因素，因?yàn)?.18um CMOS或BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙收發(fā)器功能的芯片尺寸相近。

　　如果選擇CMOS工藝，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS將是發(fā)展趨勢(shì)，由于這些數(shù)字CMOS本身已經(jīng)采用了多層掩模工藝，因此將不會(huì)再增加其它選項(xiàng)。數(shù)字功能將占據(jù)最大的芯片面積，因此主要的成本將產(chǎn)生在這些數(shù)字功能部分。

　　使用主流CMOS工藝將數(shù)字電路和RF功能集成在單塊芯片上還有意義嗎？這個(gè)問(wèn)題需要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：從技術(shù)角度看，采用為實(shí)現(xiàn)RF功能而改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS是可能的，如高阻抗基底減少通過(guò)基底的串?dāng)_，采用厚介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件的高品質(zhì)因素等；從集成的角度看，將標(biāo)準(zhǔn)CMOS應(yīng)用于射頻以及在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能沒(méi)有太多的好處，因?yàn)閿?shù)字和RF的模型和庫(kù)有著根本上的不同。數(shù)字電路經(jīng)常用VHDL/Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)，CMOS技術(shù)的數(shù)字庫(kù)通常在新技術(shù)出現(xiàn)之前就已實(shí)現(xiàn)，這些數(shù)字庫(kù)一代一代地使用，因此設(shè)計(jì)工程師可以在下一代工藝發(fā)布之前進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)。

　　對(duì)于RF設(shè)計(jì)而言，只有在工藝出現(xiàn)后才可能有模型和庫(kù)，因此RF器件具有其獨(dú)特的特點(diǎn)。由于RF功能一般沒(méi)有1:1的可再使用模塊，因此每個(gè)新器件幾乎必須從零開(kāi)始開(kāi)發(fā)。RF庫(kù)通常落后于數(shù)字庫(kù)1-2年，使用主流CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)RF功能，意味著在工藝上將落后一代。因此，在一個(gè)芯片上集成數(shù)字和RF功能意味著將采用上一代CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字功能，而通常實(shí)現(xiàn)成本更高。而且，無(wú)源元件(電感)和RF/模擬功能并不能真正隨著CMOS工藝技術(shù)同步發(fā)展，因此，RF部分所占面積相對(duì)于數(shù)字部分將隨不同的技術(shù)代而增加。

　　在單芯片上集成數(shù)字和RF功能的其它困難還有：

　　1. 必須控制數(shù)字和RF部分之間通過(guò)基底產(chǎn)生的串?dāng)_；

　　2. 采用高級(jí)CMOS工藝的掩膜成本很高，而將數(shù)字和RF集成由于RF設(shè)計(jì)的原因必然會(huì)導(dǎo)致很多次的設(shè)計(jì)迭代，將導(dǎo)致成本增加；

　　3. RF IC產(chǎn)量通常由設(shè)計(jì)所決定，數(shù)字IC由參數(shù)決定，因而集成數(shù)字和RF功能的集成電路的產(chǎn)量將低于數(shù)字IC；

　　4. 數(shù)字CMOS封裝產(chǎn)生的高引腳電感將降低RF效率。

　　從技術(shù)上講，短距離高頻系統(tǒng)的最佳解決方法是采用多芯片封裝和模塊，其中數(shù)字和RF功能采用獨(dú)立的IC和BiCMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些方案對(duì)于那些既具有設(shè)計(jì)能力又有生產(chǎn)封裝能力的廠商來(lái)說(shuō)是可行的，但是，多芯片封裝，尤其是模塊對(duì)于那些依靠代工廠的無(wú)晶圓廠來(lái)說(shuō)并不容易實(shí)現(xiàn)。因此，這些公司將可能向在單片上集成數(shù)字和RF功能的方向發(fā)展。

　　無(wú)線系統(tǒng)還需要天線和用于波段選擇的切換器件、Tx-Rx切換和天線分集，如圖2的CDMA RF前端功能框圖所示。為了嵌入這些器件，通常采用多片封裝的方式而非模塊集成。

　　
低頻集成

　　對(duì)于2.4GHz以下的應(yīng)用，蜂窩系統(tǒng)是最廣泛和最重要的應(yīng)用。蜂窩手機(jī)要求成本低和尺寸小，需要更高的集成度。此外，蜂窩系統(tǒng)具有嚴(yán)格的性能和成本等要求，所使用的元器件種類很多。

　　蜂窩系統(tǒng)的接收器端需要高靈敏度和選擇性，一般采用一個(gè)接收濾波器，如聲表面波(SAW)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)；采用低噪聲放大器(LNA)來(lái)實(shí)現(xiàn)大的信噪比，其中的電感器用于發(fā)射器以實(shí)現(xiàn)噪聲和增益匹配之間的最佳平衡，通常將這種LNA功能集成在單芯片收發(fā)器IC上；基帶功能總是在主流CMOS IC中實(shí)現(xiàn)；收發(fā)器功能傳統(tǒng)上是采用BiCMOS工藝，但是CMOS工藝正引起越來(lái)越的關(guān)注。同時(shí)，多頻帶/系統(tǒng)集成也在不斷發(fā)展。

　　另一個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)送(TX)路徑，這些全向非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸系統(tǒng)要求24-33dBm的高輸出功率。從易用性、效率和性能上來(lái)看，功放(PA)功能選擇的技術(shù)是硅(Si)雙極或GaAs HBT(Si LDMOS)。在最后的放大器級(jí)之后，需要一個(gè)低損耗輸出匹配電路，因?yàn)樵撾娐吩诩夹g(shù)上難以實(shí)現(xiàn)集成。該功能經(jīng)常與分立表面貼裝器件一起部分地集成，或通過(guò)特殊的低成本無(wú)源集成(PI)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　低頻集成所使用的技術(shù)包括PA用的GaAs HBT，PA驅(qū)動(dòng)器用Si BiCMOS，用于輸出匹配的偏置級(jí)和功率控制環(huán)路的Si PI芯片?，F(xiàn)在的手機(jī)是多頻帶和多模式，需要在PA、接收通道和天線之間有大量的切換和濾波功能。開(kāi)關(guān)器件通常是采用GaAs pHEMT或p-i-n二極管以及RF-MEMS來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙工濾波器(RX-TX分開(kāi))，用于波段選擇的同向雙工濾波器和諧波濾波器組成天線的無(wú)源前端部分。多波段PA模塊之后的前端集成TX-FE模塊。

　　在無(wú)源前端之后全部是無(wú)線模塊，該模塊加入了收發(fā)器功能。把所有這些技術(shù)以更高性價(jià)比集成到蜂窩系統(tǒng)里極富挑戰(zhàn)性。收發(fā)器功能(包括LNA)可以采用片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但接收濾波器仍需要放在芯片之外，PA和RF前端通常不能放在一個(gè)芯片上。一般而言，挑戰(zhàn)來(lái)自于無(wú)源元件和多技術(shù)封裝，一般選擇在LTCC或有機(jī)基底上的模塊集成。

　　減少無(wú)源元件和推動(dòng)無(wú)源集成的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是PASSI技術(shù)。采用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)145pF/mm2和4%(3σ)的電容器精度，電感的Q因數(shù)超過(guò)50。該技術(shù)還可以作為橫向集成p-i-n二極管、高密度電容器和將來(lái)的MEMS可變電容器和開(kāi)關(guān)的平臺(tái)。另一個(gè)相關(guān)的技術(shù)發(fā)展是體聲波(BAW)技術(shù)，該技術(shù)能夠替代濾波器中的陶瓷和SAW技術(shù)。BAW技術(shù)可以有幾種實(shí)現(xiàn)方法，其中一種如圖3所示。

　　采用SAW技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是性能、損耗、熱特性、尺寸和成本，特別是在高于1GHz的頻率時(shí)，SAW技術(shù)要求使用亞微米光刻。由于采用亞微米結(jié)構(gòu)，在2GHz以上SAW濾波器的損耗將迅速增加，但BAW技術(shù)至少可以在高達(dá)10GHz的頻率下應(yīng)用。由于增加了額外的掩模和合格率相關(guān)的成本問(wèn)題，在BiCMOS工藝上采用BAW技術(shù)可能并不具有太多的優(yōu)勢(shì)。

　　將RF功能和完整的系統(tǒng)解決方案外包正成為一種新的商業(yè)模式，上面談到的前端集成化趨勢(shì)將進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)將涉及基帶和功率控制環(huán)路、匹配、RF切換和濾波器等，提供一個(gè)完整的RF系統(tǒng)解決方案。當(dāng)這些功能完全成熟，且OEM廠商接受這種產(chǎn)品后，這種完整系統(tǒng)方案將大量應(yīng)用。上面所述的前端集成的發(fā)展趨勢(shì)還將延伸到基帶和電源管理領(lǐng)域