關於射頻芯片最詳細解讀

傳統來講，一部可支持打電話、發短信、網絡服務、APP應用的手機，通常包含五個部分部分：射頻部分、基帶部分、電源管理、外設、軟件。

射頻部分：通常是信息發送和接收的部分；

基帶部分：通常是信息處理的部分；

電源管理：通常是節電的部分，因爲手機是能源有限的設備，因此電源管理十分重要；

外設：通常包括LCD，鍵盤，機殼等；

軟件：通常包括系統、驅動、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、頻率合成、功率放大；基帶芯片負責信號處理和協議處理。那麼射頻芯片和基帶芯片是什麼關係？

射頻芯片和基帶芯片的關係

先講一下歷史，射頻（Radio Frenquency）和基帶（Base Band）皆來自英文直譯。其中射頻最先的應用就是Radio——無線廣播（FM/AM），迄今爲止這還是射頻技術乃至無線電領域最經典的應用。

基帶則是band中心點在0Hz的信號，因此基帶就是最基礎的信號。有人也把基帶叫作「未調製信號」，曾經這個概念是對的，例如AM爲調製信號（無需調製，接收後便可經過發聲元器件讀取內容）。

但對於現代通訊領域而言，基帶信號一般都是指通過數字調製的，頻譜中心點在0Hz的信號。並且沒有明確的概念代表基帶必須是模擬或者數字的，這徹底看具體的實現機制。

言歸正傳，基帶芯片能夠認爲是包括調制解調器，但不止於調制解調器，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，則可看作是最簡單的基帶調製信號的上變頻和下變頻。

所謂調製，就是把須要傳輸的信號，經過必定的規則調製到載波上面讓後經過無線收發器（RF Transceiver）發送出去的工程，解調就是相反的過程。

工做原理與電路分析

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，爲是Radio Frequency的縮寫，表示能夠輻射到空間的電磁頻率，頻率範圍在300KHz～300GHz之間。每秒變化小於1000次的交流電稱爲低頻電流，大於10000次的稱爲高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。高頻（大於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。射頻技術在無線通訊領域中被普遍使用，有線電視系統就是採用射頻傳輸方式。

射頻芯片指的就是將無線電信號通訊轉換成必定的無線電信號波形， 並經過天線諧振發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射通道兩大部分。

 

射頻電路方框圖

接收電路的結構和工做原理

接收時，天線把基站發送來電磁波轉爲微弱交流電流信號經濾波，高頻放大後，送入中頻內進行解調，獲得接收基帶信息(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：一、接收電路結構；二、各元件的功能與做用；三、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，其目的把接收頻率下降後再解調(以下圖)。

 

接收電路方框圖

2.各元件的功能與做用

1)、手機天線：

結構：(以下圖)

由手機天線分外置和內置天線兩種;由天線座、螺線管、塑料封套組成。

 

做用：a)、接收時把基站發送來電磁波轉爲微弱交流電流信號。b)、發射時把功放放大後的交流電流轉化爲電磁波信號。

2)、天線開關：

結構：(以下圖)

手機天線開關(合路器、雙工濾波器)由四個電子開關構成。

 

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

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

因爲手機工做時接收和發射不能同時在一個時隙工做(即接收時不發射，發射時不接收)。所以後期新型手機把接收通路的兩開關去掉，只留兩個發射轉換開關;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。

做用：濾除其餘無用信號，獲得純正接收信號。後期新型手機都爲零中頻手機;所以，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。都是三極管共發射極放大電路;後期新型手機把高放管集成在中頻內部。

 

高頻放大管供電圖

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

原理：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根據手機的接收狀態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：通過濾波器濾除其餘雜波獲得純正935M-960M的接收信號由電容器耦合後送入相應的高放管放大後經電容器耦合送入中頻進行後一級處理。

5)、中頻(射頻接囗、射頻信號處理器)：

結構：由接收解調器、發射調製器、發射鑑相器等電路組成;新型手機還把高放管、頻率合成、26M振盪及分頻電路也集成在內部(以下圖)。

 

做用：

a)、內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，獲得67.707KHZ的接收基帶信息；

c)、發射時把邏輯電路處理過的發射信息與本振信號調製成發射中頻；

d)、結合13M/26M晶體產生13M時鐘(參考時鐘電路)；

e)、根據CPU送來參考信號，產生符合手機工做信道的本振信號。

3.接收信號流程

手機接收時，天線把基站發送來電磁波轉爲微弱交流電流信號，通過天線開關接收通路，送高頻濾波器濾除其它無用雜波，獲得純正935M-960M(GSM)的接收信號，由電容器耦合送入中頻內部相應的高放管放大後，送入解調器與本振信號(不帶信息)進行解調，獲得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。

發射電路的結構和工做原理

發射時，把邏輯電路處理過的發射基帶信息調製成的發射中頻，用TX-VCO把發射中頻信號頻率上變爲890M-915M(GSM)的頻率信號。經功放放大後由天線轉爲電磁波輻射出去。

該電路掌握重點：(1)、電路結構；(2)、各元件的功能與做用；(3)、發射信號流程。

1.電路結構

發射電路由中頻內部的發射調製器、發射鑑相器;發射壓控振盪器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、發射互感器等電路組成。(以下圖)

 

發射電路方框圖

2.各元件的功能與做用

1)、發射調製器：

結構：發射調製器在中頻內部，至關於寬帶網絡中的MOD。

做用：發射時把邏輯電路處理過的發射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)與本振信號調製成發射中頻。

2)、發射壓控振盪器(TX-VCO)：

結構：發射壓控振盪器是由電壓控制輸出頻率的電容三點式振盪電路;在生產製造時集成爲一小電路板上，引出五個腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M頻段切換腳。當有合適工做電壓後便振盪產生相應頻率信號。

做用：把中頻內調製器調製成的發射中頻信號轉爲基站能接收的890M-915M(GSM)的頻率信號。

原理：衆所周知，基站只能接收890M-915M(GSM)的頻率信號，而中頻調製器調製的中頻信號(如三星發射中頻信號135M)基站不能接收的，所以，要用TX-VCO把發射中頻信號頻率上變爲890M-915M(GSM)的頻率信號。

當發射時，電源部分送出3VTX電壓使TX-VCO工做，產生890M-915M(GSM)的頻率信號分兩路走：a)、取樣送回中頻內部，與本振信號混頻產生一個與發射中頻相等的發射鑑頻信號，送入鑑相器中與發射中頻進行較;若TX-VCO振盪出頻率不符合手機的工做信道，則鑑相器會產生1-4V跳變電壓(帶有交流發射信息的直流電壓)去控制TX-VCO內部變容二極管的電容量，達到調整頻率準確性目的。b)、送入功放經放大後由天線轉爲電磁波輻射出去。

從上看出：由TX-VCO產生頻率到取樣送回中頻內部，再產生電壓去控制TX-VCO工做;恰好造成一個閉合環路，且是控制頻率相位的，所以該電路也稱發射鎖相環電路。

3)、功率放大器(功放)：

結構：目前手機的功放爲雙頻功放(900M功放和1800M功放集成一體)，分黑膠功放和鐵殼功放兩種;不一樣型號功放不能互換。

做用：把TX-VCO振盪出頻率信號放大，得到足夠功率電流，經天線轉化爲電磁波輻射出去。

值得注意：功放放大的是發射頻率信號的幅值，不能放大他的頻率。

功率放大器的工做條件：

a)、工做電壓(VCC)：手機功放供電由電池直接提供(3.6V)；

b)、接地端(GND)：使電流造成迴路；

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

d)、功率控制信號(PAC)：控制功放的放大量(工做電流)；

e)、輸入信號(IN);輸出信號(OUT)。

4)、發射互感器：

結構：兩個線徑和匝數相等的線圈相互靠近，利用互感原理組成。

做用：把功放發射功率電流取樣送入功控。

原理：當發射時功放發射功率電流通過發射互感器時，在其次級感生與功率電流一樣大小的電流，經檢波(高頻整流)後並送入功控。

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爲八個等級，每一個接收等級對應一級發射功率(以下表)，手機在工做時，CPU根據接的信號強度來判斷手機與基站距離遠近，送出適當的發射等級信號，從而來決定功放的放大量(即接收強時，發射就弱)。

附功率等級表：

 

6)、功率控制器(功控)：

結構：爲一個運算比較放大器。

做用：把發射功率電流取樣信號和功率等級信號進行比較，獲得一個合適電壓信號去控制功放的放大量。

原理：當發射時功率電流通過發射互感器時，在其次級感生的電流，經檢波(高頻整流)後並送入功控;同時編程時預設功率等級信號也送入功控;兩個信號在內部比較後產生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工做電流適中，既省電又能長功放使用壽命(功控電壓高，功放功率就大)。

3.發射信號流程

當發射時，邏輯電路處理過的發射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，送入中頻內部的發射調製器，與本振信號調製成發射中頻。而中頻信號基站不能接收的，要用TX-VCO把發射中頻信號頻率上升爲890M-915M(GSM)的頻率信號基站才能接收。當TX-VCO工做後，產生890M-915M(GSM)的頻率信號分兩路走：

a)、一路取樣送回中頻內部，與本振信號混頻產生一個與發射中頻相等的發射鑑頻信號，送入鑑相器中與發射中頻進行較;若TX-VCO振盪出頻率不符合手機的工做信道，則鑑相器會產生一個1-4V跳變電壓去控制TX-VCO內部變容二極管的電容量，達到調整頻率目的。

b)、二路送入功放經放大後由天線轉化爲電磁波輻射出去。爲了控制功放放大量，當發射時功率電流通過發射互感器時，在其次級感生的電流，經檢波(高頻整流)後並送入功控;同時編程時預設功率等級信號也送入功控;兩個信號在內部比較後產生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工做電流適中，既省電又能長功放使用壽命。

國產射頻芯片產業鏈現狀

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；國內射頻芯片方面，沒有公司可以獨立支撐IDM的運營模式，主要爲Fabless設計類公司；國內企業經過設計、代工、封裝環節的協同，造成了「軟IDM「」的運營模式。

 

射頻芯片設計方面，國內公司在5G芯片已經有所成績，具備必定的出貨能力。射頻芯片設計具備較高的門檻，具有射頻開發經驗後，能夠加速後續高級品類射頻芯片的開發。目前，具有射頻芯片設計的公司有紫光展銳、惟捷創芯、中普微、中興通信、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，臺灣已經成爲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懋、宏捷科和寰宇，國內僅有三安光電和海威華芯開始涉足化合物半導體代工。三安光電是國內目前國內佈局最爲完善，具備GaAs HBT/pHEMT和 GaNSBD/FET 工藝佈局，目前在於國內200多家企事業單位進行合做，有10多種芯片經過性能驗證，即將量產。海威華芯爲海特高新控股的子公司，與中國電科29所合資，目前具備GaAs 0.25um PHEMT工藝製程能力。

射頻芯片封裝方面，5G射頻芯片一方面頻率升高致使電路中鏈接線的對電路性能影響更大，封裝時須要減少信號鏈接線的長度；另外一方面須要把功率放大器、低噪聲放大器、開關和濾波器封裝成爲一個模塊,一方面減少體積另外一方面方便下游終端廠商使用。爲了減少射頻參數的寄生須要採用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封裝技術。

Flip-Chip和Fan-In、Fan-Out工藝封裝時，不須要經過金絲鍵合線進行信號鏈接，減小了因爲金絲鍵合線帶來的寄生電效應，提升芯片射頻性能；到5G時代，高性能的Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out結合Sip封裝技術會是將來封裝的趨勢。

 

Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out和Sip封裝屬於高級封裝，其盈利能力遠高於傳統封裝。國內上市公司，長電科技收購星科金朋後，造成了完整的FlipChip+Sip技術的封裝能力。