【導(dǎo)讀】日前隨著5G商用牌照的發(fā)放,可以說,2019年是5G商業(yè)應(yīng)用元年。中國宣布邁入5G時代,射頻芯片也成了行業(yè)熱議焦點。
傳統(tǒng)來說,一部可支持打電話、發(fā)短信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、APP應(yīng)用的手機,通常包含五個部分:射頻、基帶、電源管理、外設(shè)、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;
電源管理:一般是節(jié)電的部分,由于手機是能源有限的設(shè)備,所以電源管理十分重要;
外設(shè):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(yīng)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(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大;基帶芯片負責(zé)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(guān)系?
1 射頻芯片和基帶芯片的關(guān)系
射頻(Radio Frenquency)和基帶(Base Band)皆來自英文直譯。其中射頻最早的應(yīng)用就是Radio——無線廣播(FM/AM),迄今為止這仍是射頻技術(shù)乃至無線電領(lǐng)域最經(jīng)典的應(yīng)用。
基帶則是band中心點在0Hz的信號,所以基帶就是最基礎(chǔ)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(lǐng)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)男盘枺ㄟ^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。
2 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(shù)在無線通信領(lǐng)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(guān)。射頻芯片架構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);2、各元件的功能與作用;3、接收信號流程。
1.電路結(jié)構(gòu)
接收電路由天線、天線開關(guān)、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(jié)構(gòu):(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(guān):
結(jié)構(gòu):(如下圖)
手機天線開關(guān)(合路器、雙工濾波器)由四個電子開關(guān)構(gòu)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(dǎo)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(guān)去掉,只留兩個發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān);接收切換任務(wù)交由高放管完成。
3)、濾波器:
結(jié)構(gòu):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(jié)構(gòu):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(yīng)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。
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(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。
原理:b)、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(yīng)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(jié)構(gòu):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(yīng)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(jié)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(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)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)?90M-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(jié)構(gòu);(2)、各元件的功能與作用;(3)、發(fā)射信號流程。
1.電路結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu):發(fā)射調(diào)制器在中頻內(nèi)部,相當(dāng)于寬帶網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu):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(dāng)有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應(yīng)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)?90M-915M(GSM)的頻率信號。
當(dāng)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)荻O管的電容量,達到調(diào)整頻率準(zhǔn)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(jié)構(gòu):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(jié)構(gòu):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(dāng)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(yīng)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(dāng)?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(jié)構(gòu):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(dāng)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(yù)設(shè)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yù)設(shè)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。
3 國產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀
在射頻芯片領(lǐng)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(shè)計類公司;國內(nèi)企業(yè)通過設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(shù)。
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(yīng),提高芯片射頻性能;到5G時代,高性能的Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out結(jié)合Sip封裝技術(shù)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(shù)的封裝能力。
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