移動(dòng)終端中三類射頻電路的演進(jìn)方向

移動(dòng)通信采用電磁波作為信號(hào)的傳輸載體進(jìn)行無線通信，因此，其射頻電路在移動(dòng)通信終端上居于重要的位置，射頻性能的好壞直接關(guān)系到信號(hào)的收、發(fā)能力和終端與基站通信能力的高低，研究移動(dòng)終端的射頻電路的設(shè)計(jì)思想和所采用的射頻器件的發(fā)展趨勢(shì)，已成為終端制造商的重要課題。

在當(dāng)今移動(dòng)終端主流射頻電路中，主要包含了三大部分，即射頻前端電路、收發(fā)信機(jī)電路和頻率源電路。雖然這三部分電路采用的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)材料與工藝有巨大不同，但三者都在各自的領(lǐng)域超著小型化和高性價(jià)比的方向發(fā)展。由于使用材料的本質(zhì)差別和收發(fā)互擾的問題存在，三部分電路很難集成到一起。三部分電路在各自領(lǐng)域獨(dú)立發(fā)展，相互影響，共同推進(jìn)通信終端射頻電路的演進(jìn)。

射頻前端電路向小型化和交互集成方向發(fā)展

半導(dǎo)體廠商多年來致力于把各種功能集成到大型集成電路中，終端成本隨著集成度的提高而日益降低，為消費(fèi)者帶來越來越多的好處。在移動(dòng)通信終端RF電路部分，許多元器件要么集成到芯片當(dāng)中，要么隨著直接數(shù)字上/下變頻器的出現(xiàn)而消失。

但是，終端電路發(fā)展到現(xiàn)在，仍有兩個(gè)重要的器件還沒有被集成，即射頻前端濾波器和射頻功放。這兩種器件采用的構(gòu)建技術(shù)都不兼容芯片上CMOS集成。在傳統(tǒng)上，濾波器一直采用陶瓷或聲表面波(SAW)技術(shù)構(gòu)建，而射頻功放則一直使用砷化鎵(GaAs)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)或FET器件構(gòu)建。由于這些技術(shù)與射頻芯片使用的硅或硅鍺工藝有著很大區(qū)別，因此功放和濾波器一直作為分立器件，與現(xiàn)在執(zhí)行手機(jī)大部分射頻功能的大規(guī)模集成芯片組分開。

移動(dòng)終端射頻前端電路主要包含三個(gè)部分的電路：射頻功放、天線開關(guān)或雙工器、前端(鏡頻)濾波器。由于射頻功放和前端濾波器收發(fā)隔離和工藝實(shí)現(xiàn)問題，二者集成到單一芯片中還存在較大的問題。天線開關(guān)或雙工器廠商在LTCC基片上嵌入接收前端濾波器，構(gòu)成了現(xiàn)在比較流行的一種射頻前端模塊(FEM)，如MURATA公司的LMSP54HA和日立金屬公司的LSHS-M085FE，由于其小型化和低成本優(yōu)勢(shì)，在目前大量GSM移動(dòng)終端中獲得了廣泛的使用。

圖1：MURATA公司的LMSP54HA和日立金屬公司的LSHS-M085FE的原理框圖

功放廠商在其功放芯片基礎(chǔ)上利用GaAs工藝實(shí)現(xiàn)了天線開關(guān)或雙工器，構(gòu)成了現(xiàn)在比較流行的另一種射頻前端模塊，如RFMD公司的RF7115和SKYWORKS公司的SKY77506，由于其小型化和低成本的優(yōu)勢(shì)，也在目前的GSM移動(dòng)終端設(shè)計(jì)中得到普遍應(yīng)用。天線開關(guān)或雙工器廠商和射頻功放生產(chǎn)廠商目前都在致力于三者的集成化開發(fā)和研究，因此，三者合一的射頻前端單片是移動(dòng)終端射頻發(fā)展的必然趨勢(shì)。

圖2：集成天線開關(guān)的功率放大器架構(gòu)圖

收發(fā)信機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是直接變頻

射頻收發(fā)信機(jī)芯片的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段，采用超外差二次變頻固定中頻射頻構(gòu)架階段；第二階段，采用超外差二次變頻低中頻射頻構(gòu)架階段；第三階段，采用直接變頻射頻構(gòu)架階段；

圖3：采用超外差二次變頻系統(tǒng)架構(gòu)的收發(fā)信機(jī)單芯片方案

第一階段的射頻收發(fā)芯片是把經(jīng)典的射頻超外差系統(tǒng)構(gòu)架體系集成到單芯片中，采用固定頻率和帶寬的中頻濾波器完成中頻信號(hào)的選頻和濾波，這一階段的典型芯片如INFINEON公司的PMB6253，采用了360MHz的中頻濾波器完成收發(fā)信號(hào)的上、下變頻處理和變換。

第二階段的射頻收發(fā)芯片是把經(jīng)典的射頻超外差系統(tǒng)構(gòu)架體系進(jìn)行了調(diào)整，把第一本振的頻率大大提高，這個(gè)通過第一本振變頻后，得到頻率較低的中頻信號(hào)，在中頻通路，集成一個(gè)信道濾波器完成中頻信號(hào)的選頻和濾波，再經(jīng)過第二本振變頻濾波后得到射頻I、Q信號(hào)，送入基帶芯片進(jìn)行處理。這一階段的射頻收、發(fā)芯片的最大特點(diǎn)是消除了外置中頻濾波器，有效地降低了終端成本。低中頻射頻收發(fā)芯片典型的如臺(tái)灣MEDIA TEK公司的MT612X芯片。

第三階段的射頻收發(fā)芯片采用了一個(gè)鎖相環(huán)，一個(gè)VCO構(gòu)成一個(gè)本振信號(hào)，收、發(fā)信號(hào)通過一次變頻后，直接變換為I、Q信號(hào)，由于本振信號(hào)等于工作信號(hào)頻率，變頻后的IF=0，直接可以去掉中頻濾波器。

采用直接變頻射頻構(gòu)架的收、發(fā)芯片需要解決本振VCO頻譜的INJECTION PULLING、本振隔離、本振SELF MIXING以及DC OFFSET問題，通過解決上述問題，RF穩(wěn)定成熟后的收、發(fā)芯片目前已經(jīng)得到廣泛的使用。典型的如TI公司的TRF6151和MEDIA TEK公司的MT6139等。

圖4：MT612X低中頻射頻收發(fā)芯片架構(gòu)圖

由于直接變頻(DCR/DCT)射頻構(gòu)架有效地減少了芯片內(nèi)部功能電路，以及中頻濾波器，在成本和體積上比第一、二階段的射頻收發(fā)芯片有可觀的降低和減小，成為目前最流行使用的射頻收發(fā)芯片。因此，DCR/DCT的收發(fā)芯片是以后射頻收發(fā)芯片發(fā)展的主要趨勢(shì)和主要應(yīng)用。

圖5：采用直接變頻的射頻收發(fā)芯片架構(gòu)圖

圖6：直接變頻(DCR/DCT)發(fā)射電路原理圖

圖7：直接變頻(DCR/DCT)接收電路原理圖

外置晶體頻率源成為主流

射頻頻率源主要來自射頻收發(fā)芯片內(nèi)部所集成的小數(shù)分頻PLL的頻率合成器，精準(zhǔn)的頻率提供給各本振所使用，鎖相環(huán)PLL所使用的參考基準(zhǔn)頻率需要外置的晶體或晶振所提供。

圖8：由內(nèi)含三點(diǎn)式電路的晶振構(gòu)成的頻率源架構(gòu)

在移動(dòng)通信終端外置基準(zhǔn)頻率源發(fā)展過程中，主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段：第一階段采用溫度補(bǔ)償晶振階段；第二階段采用晶體階段。溫度補(bǔ)償晶振可以提供高穩(wěn)定度的頻率，晶振內(nèi)部包含了構(gòu)成振蕩器的三點(diǎn)式電路構(gòu)架，溫度補(bǔ)償晶振的使用為第一階段。隨著射頻收發(fā)芯片集成度的提高，頻率源的三點(diǎn)式電路集成到收發(fā)信機(jī)芯片內(nèi)部，外置只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體來完成，有效地降低了移動(dòng)終端的BOM成本，外置晶體作為頻率源的射頻構(gòu)架目前獲得了廣泛的使用。

本文小結(jié)

通過上述三個(gè)方面的說明，器件的小型化和低成本化兩個(gè)主要的推動(dòng)力推進(jìn)著移動(dòng)終端射頻元器件在各自領(lǐng)域向前發(fā)展，集成的射頻前端FEM，直接變頻(DCR/DCT)構(gòu)架的收發(fā)信機(jī)和外置晶體的頻率源成為以后移動(dòng)終端射頻電路設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

圖9：只采用外置晶體的頻率源架構(gòu)

作者：徐圣永

開發(fā)中心射頻經(jīng)理

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