移動終端中三類射頻電路的發(fā)展趨勢

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

在當(dāng)今移動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)信機電路和頻率源電路。雖然這三部分電路采用的設(shè)計思想、實現(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)域獨立發(fā)展，相互影響，共同推進通信終端射頻電路的演進。

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，為消費者帶來越來越多的好處。在移動通信終端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)行手機大部分射頻功能的大規(guī)模集成芯片組分開。

移動終端射頻前端電路主要包含三個部分的電路：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，在目前大量GSM移動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，也在目前的GSM移動終端設(shè)計中得到普遍應(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終端射頻發(fā)展的必然趨勢。

圖2：集成天線開關(guān)的功率放大器架構(gòu)圖。

收發(fā)信機的發(fā)展趨勢是直接變頻

射頻收發(fā)信機芯片的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：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)架體系進行了調(diào)整，把第一本振的頻率大大提高，這個通過第一本振變頻后，得到頻率較低的中頻信號，在中頻通路，集成一個信道濾波器完成中頻信號的選頻和濾波，再經(jīng)過第二本振變頻濾波后得到射頻I、Q信號，送入基帶芯片進行處理。這一階段的射頻收、發(fā)芯片的最大特點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)芯片采用了一個鎖相環(huán)，一個VCO構(gòu)成一個本振信號，收、發(fā)信號通過一次變頻后，直接變換為I、Q信號，由于本振信號等于工作信號頻率，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)含三點式電路的晶振構(gòu)成的頻率源架構(gòu)。

在移動通信終端外置基準(zhǔn)頻率源發(fā)展過程中，主要經(jīng)歷了兩個階段：第一階段采用溫度補償晶振階段；第二階段采用晶體階段。溫度補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)成振蕩器的三點式電路構(gòu)架，溫度補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，頻率源的三點式電路集成到收發(fā)信機芯片內(nèi)部，外置只需要一個簡單的晶體來完成，有效地降低了移動終端的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)

通過上述三個方面的說明，器件的小型化和低成本化兩個主要的推動力推進著移動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)信機和外置晶體的頻率源成為以后移動終端射頻電路設(shè)計的主要發(fā)展趨勢。

圖9：只采用外置晶體的頻率源架構(gòu)。