《无线重构世界》射频模组演进

射频前端四大金刚

射频前端由PA、LNA、滤波器、开关"四大金刚"

不同的模块有自己的工艺和性能特点

分层设计

射频前端虽然只由PA、LNA、开关、混频器4个模块构成,但不同模块之间相互连接且相互影响。如果将射频系统当成一个整体来理解,其中的细节和前后之间的处理会让人感到混乱与困难。另外,在射频系统从2G发展到5G的过程中,射频前端也变得越来越复杂(见图2-10)​,射频系统已经无法被一目了然地观察和理解。

在对射频系统的理解上,可以采用分层的方式进行。按照实现的功能不同,将复杂的射频系统拆分为不同的层级,以此来对射频系统整体架构和功能,以及各层级之间的关系和作用进行清晰的把握。

第一层:天线层

第二层:天线合路层

第三层:天线切换层

第四层:频段开关层

第五层:子路径实现层

射频芯片模组分类

在手机射频前端系统中,根据集成器件的不同,射频前端方案分为分立方案及集成模组方案。分立方案一般指采用多频多模PA、LNA、分立滤波器等实现的方案。集成模组方案一般指采用L-PAMiD、L-PAMiF、L-FEM等集成模组实现的方案。

分立方案 是指使用分立的PA、LNA、开关、滤波器芯片等实现的方案,然后通过外部连接线进行信号的传输与控制。随着多频段多模式支持的需求,PA、LNA内部也需要集成开关,来支持不同频段的输出。但这种开关本质上还是为PA及LNA这些核心电路服务的,所以依然称之为分立方案。

集成模组方案是指将射频前端多个功能模块集成到一颗芯片上,从而减少了外部连接线路,提高了射频信号性能,减少了损耗,同时降低了成本。

射频芯片的产业链构成

射频前端模组芯片产业链复杂,尤其是对于高集成模组芯片,芯片内部集成不同器件,这些不同器件采用不同的半导体工艺进行设计,再由封装厂将晶圆封装起来。

手机射频芯片方案演进

  • 射频芯片方案一般由器件厂商、平台厂商及终端厂商三方共同定义、开发。
  • 在2010年之前,除了MTK、高通及展讯外,ADI、TI、Agere、Infineon、Philips、Freescale、Renesas、Skyworks等公司,都提供过手机平台解决方案。
  • 在2010年之后,MTK、高通、展讯及海思平台的崛起,使手机平台方案的提供越来越集中。随着山寨机的没落,终端厂商也逐渐向头部聚集。平台厂商、终端厂商及器件厂商,都对射频前端器件"生态"的形成更加重视,能否形成器件统一的"生态"是新方案定义中非常重要的考虑点。

Phase1:史前时代

Phase1方案并不统一,一般来说是最大限度地复用射频前端厂商3G时代的产品定义:与原来2G、3G重合的频段复用原来的管脚;4G的新频段用单独分立的通路进行覆盖;再用天线开关将所有频段切换到同一根天线上。

Phase2:顺应时代,成就经典

Phase2方案的定义不仅仅考虑了当前方案的统一,还考虑了方案生态的可达成性,未来协议的演进,4G三模、五模的共存等。

经过改进,Phase2方案有以下优势:

  • 灵活性增强:由于2G PA的设计方法与3G PA、4G PA有很大的不同,2G PA与4G PA的分离可以带来较大的设计灵活性。
  • 2G PA一般采用SAW-less方案,输出不需要经过额外的SAW滤波器等,2GPA与ASM集成为TxM可以降低2G PA后端插损。
  • 供应商可针对性发挥优势:不同供应商在2G与3G、4G的技术积累与能力不同,分离后可以更充分地发挥不同供应商的优势。
  • 2G PA的分离,可为后续2G退网做好准备。
  • 4G频段的整合,为日后4G乃至5G频段的发展做好准备。

Phase3及Phase5:完善方案,支持载波聚合

Phase3方案及Phase5方案的定义产生于2015---2016年,也是全球4G建设最为火热的时候。为了提升用户体验,载波聚合(Carrier Aggregation,CA)方案开始被大家关注。

Phase3方案可以支持2下行载波聚合及带内上行载波聚合;Phase5方案引入三工器、多工器,又将载波聚合能力提升到了3下行载波聚合及带间上行载波聚合,不过PA后端插损增加,对PA输出功率的要求提升了。

Phase6及Phase6L:进入PAMiD,依然经典

在分立方案开发完成后,国际大厂开始向PAMiD方案深度布局:2014年,Skyworks宣布与松下组建合资公司;2015年,RFMD与Triquint合并,成立Qorvo;2016年,高通宣布与TDK建立新的合资公司RF360。

Phase7、Phase7L及Phase7LE:5G的开门红

Phase7方案的Sub-3GHz部分主要由Phase6 PAMiD方案及Phase6L PAMiD方案继承而来。在5G新增加的Sub-6GHz UHB部分,重点定义了支持n77、n78、n79频段,集成SRS开关的双频高集成模组。

Phase7L方案基于快速发展的5G需求,进行了迭代,Sub-3GHz进一步提高集成度,在PAMiD产品形态中加入主集接收LNA,形成L-PAMiD产品形态。

Phase7LE方案随着5G需求趋于收敛应运而生,UHB从1T1R L-PAMiF及1R L-FEM方案,演进至1T2R、2R的产品方案,进一步提升集成度;继续优化模组内开关、EN-DC支持、双工器等功能,进一步减少模组外围器件需求,达到整体方案的高性能和简洁。

Phase5N:虽非初始定义,但却顺理成章

5G时代到来之后,头部终端厂商主导将Phase5 MMMB PA增加支持5G NR信号的定义,被业界称之为Phase5N PA(​"N"代表支持5G NR)​,基于这颗MMMB PA所构建起来的5G方案被称为Phase5N方案

Phase8系列:针对5G优化,厂商深度定制

Phase8方案的目标市场是高端及旗舰手机,方案强调强大的射频能力及完整的CA、EN-DC支持,采用Low Band及Mid/High Band两颗L-PAMiD芯片构成完整方案,并且采用如DS-BGA等更先进的封装,来实现更小的器件尺寸。

Phase8L方案考虑的是处于2000~4000元价位手机的需求:支持合理的5G CA及EN-DC能力;采用All-in-one的方式进行设计,只需一颗芯片就可以进行Sub-3GHz全频段覆盖。由此可以实现性能与成本的完美平衡。

射频前端方案演进的未来

在未来射频前端方案演进中,有以下几个趋势。

  • 首先,射频前端方案继续强调"生态"。
  • 其次,头部终端厂商与国内射频芯片厂商将深度参与规格定义与产品定制。
  • 再次,在方案上,高集成模组化是大方向。
  • 最后,不管射频前端方案如何变化,一定是核心技术为王。

射频前端芯片中的接口技术

  • GPIO:最简单的控制电路
  • MIPI RFFE:射频芯片广泛使用的控制接口
  • 电压、电流、功率信号:模拟接口
  • 降压电源:Buck及LDO电源
  • ET电源:快速跟踪电压需求

射频芯片的趋势

  • 射频芯片的模组化趋势
  • 相较于分立方案,L-PAMiD方案在集成度、性能、制造成本方面有更大优势,长远来看,集成模组方案是终端射频方案的演进趋势。
  • 射频芯片的软件化趋势
  • 一套硬件无限使用,芯片需要软件化
  • RF-SOI

射频的未来

  • 5.5G和6G
  • 短距 (wifi/Bluetooth...)
  • 一些新的射频技术
  • 毫米波
  • 卫星通信
  • 未来的畅想
  • 引入人工智能,将突破人类对于射频的想象,实现万物互联的巨大协同。这一切,都需要我们提前在射频上做好准备。
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