傳統來(lái)說(shuō)，一部可支持打電話(huà)、發(fā)短信、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)、APP應用的手機，通常包含五個(gè)部分：射頻、基帶、電源管理、外設、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：一般是節電的部分，由于手機是能源有限的設備，所以電源管理十分重要；

 

外設：一般包括LCD，鍵盤(pán)，機殼等；

 

軟件：一般包括系統、驅動(dòng)、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(fā)、頻率合成、功率放大；基帶芯片負責信號處理和協(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(lái)自英文直譯。其中射頻最早的應用就是Radio——無(wú)線(xiàn)廣播（FM/AM），迄今為止這仍是射頻技術(shù)乃至無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域最經(jīng)典的應用。

 

基帶則是band中心點(diǎn)在0Hz的信號，所以基帶就是最基礎的信號。有人也把基帶叫做“未調制信號”，曾經(jīng)這個(gè)概念是對的，例如AM為調制信號（無(wú)需調制，接收后即可通過(guò)發(fā)聲元器件讀取內容）。

 

但對于現代通信領(lǐng)域而言，基帶信號通常都是指經(jīng)過(guò)數字調制的，頻譜中心點(diǎn)在0Hz的信號。而且沒(méi)有明確的概念表明基帶必須是模擬或者數字的，這完全看具體的實(shí)現機制。

 

言歸正傳，基帶芯片可以認為是包括調制解調器，但不止于調制解調器，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，則可看做是最簡(jiǎn)單的基帶調制信號的上變頻和下變頻。

 

所謂調制，就是把需要傳輸的信號，通過(guò)一定的規則調制到載波上面讓后通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器（RF Transceiver）發(fā)送出去的工程，解調就是相反的過(guò)程。

 

2 工作原理與電路分析

 

射頻簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiě)，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(chēng)為低頻電流，大于10000次的稱(chēng)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(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中被廣泛使用，有線(xiàn)電視系統就是采用射頻傳輸方式。

 

射頻芯片指的就是將無(wú)線(xiàn)電信號通信轉換成一定的無(wú)線(xiàn)電信號波形， 并通過(guò)天線(xiàn)諧振發(fā)送出去的一個(gè)電子元器件，它包括功率放大器、低噪聲放大器和天線(xiàn)開(kāi)關(guān)。射頻芯片架構包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。

 

射頻電路方框圖

 

接收電路的結構和工作原理

 

接收時(shí)，天線(xiàn)把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉為微弱交流電流信號經(jīng)濾波，高頻放大后，送入中頻內進(jìn)行解調，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(jìn)一步處理。

 

該電路掌握重點(diǎn)：1、接收電路結構；2、各元件的功能與作用；3、接收信號流程。

 

1.電路結構

 

接收電路由天線(xiàn)、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)、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，其目的把接收頻率降低后再解調(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(xiàn)：

 

結構：(如下圖)

 

由手機天線(xiàn)分外置和內置天線(xiàn)兩種;由天線(xiàn)座、螺線(xiàn)管、塑料封套組成。

 

 

作用：a)、接收時(shí)把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉為微弱交流電流信號。b)、發(fā)射時(shí)把功放放大后的交流電流轉化為電磁波信號。

 

2)、天線(xiàn)開(kāi)關(guān)：

 

結構：(如下圖)

 

手機天線(xiàn)開(kāi)關(guān)(合路器、雙工濾波器)由四個(gè)電子開(kāi)關(guān)構成。

 

 

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(shí)接收和發(fā)射不能同時(shí)在一個(gè)時(shí)隙工作(即接收時(shí)不發(fā)射，發(fā)射時(shí)不接收)。因此后期新型手機把接收通路的兩開(kāi)關(guān)去掉，只留兩個(gè)發(fā)射轉換開(kāi)關(guān);接收切換任務(wù)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。

 

作用：濾除其他無(wú)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(méi)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(gè)：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部。

 

高頻放大管供電圖

 

作用：a)、對天線(xiàn)感應到微弱電流進(jìn)行放大，滿(mǎn)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(gè)高放管的基極偏壓共用一路，由中頻同時(shí)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(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(guò)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的高放管放大后經(jīng)電容器耦合送入中頻進(jìn)行后一級處理。

 

5)、中頻(射頻接囗、射頻信號處理器)：

 

結構：由接收解調器、發(fā)射調制器、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部(如下圖)。

 

 

作用：

 

a)、內部高放管把天線(xiàn)感應到微弱電流進(jìn)行放大；

 

b)、接收時(shí)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(jìn)行解調，得到67.707KHZ的接收基帶信息；

 

c)、發(fā)射時(shí)把邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射信息與本振信號調制成發(fā)射中頻；

 

d)、結合13M/26M晶體產(chǎn)生13M時(shí)鐘(參考時(shí)鐘電路)；

 

e)、根據CPU送來(lái)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(shí)，天線(xiàn)把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉為微弱交流電流信號，經(jīng)過(guò)天線(xiàn)開(kāi)關(guān)接收通路，送高頻濾波器濾除其它無(wú)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部相應的高放管放大后，送入解調器與本振信號(不帶信息)進(jìn)行解調，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(jìn)一步處理。

 

發(fā)射電路的結構和工作原理

 

發(fā)射時(shí)，把邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息調制成的發(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(xiàn)轉為電磁波輻射出去。

 

該電路掌握重點(diǎn)：(1)、電路結構；(2)、各元件的功能與作用；(3)、發(fā)射信號流程。

 

1.電路結構

 

發(fā)射電路由中頻內部的發(fā)射調制器、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)射調制器：

 

結構：發(fā)射調制器在中頻內部，相當于寬帶網(wǎng)絡(luò )中的MOD。

 

作用：發(fā)射時(shí)把邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)與本振信號調制成發(fā)射中頻。

 

2)、發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)：

 

結構：發(fā)射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點(diǎn)式振蕩電路;在生產(chǎn)制造時(shí)集成為一小電路板上，引出五個(gè)腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M頻段切換腳。當有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應頻率信號。

 

作用：把中頻內調制器調制成的發(fā)射中頻信號轉為基站能接收的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，而中頻調制器調制的中頻信號(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。

 

當發(fā)射時(shí)，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)、取樣送回中頻內部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)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(huì )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(jīng)放大后由天線(xiàn)轉為電磁波輻射出去。

 

從上看出：由TX-VCO產(chǎn)生頻率到取樣送回中頻內部，再產(chǎn)生電壓去控制TX-VCO工作;剛好形成一個(gè)閉合環(huán)路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱(chēng)發(fā)射鎖相環(huán)電路。

 

3)、功率放大器(功放)：

 

結構：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(xiàn)轉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：

 

結構：兩個(gè)線(xiàn)徑和匝數相等的線(xiàn)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：當發(fā)射時(shí)功放發(fā)射功率電流經(jīng)過(guò)發(fā)射互感器時(shí)，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(shí)把接收信號分為八個(gè)等級，每個(gè)接收等級對應一級發(fā)射功率(如下表)，手機在工作時(shí)，CPU根據接的信號強度來(lái)判斷手機與基站距離遠近，送出適當的發(fā)射等級信號，從而來(lái)決定功放的放大量(即接收強時(shí)，發(fā)射就弱)。

 

附功率等級表：

 

 

6)、功率控制器(功控)：

 

結構：為一個(gè)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(jìn)行比較，得到一個(gè)合適電壓信號去控制功放的放大量。

 

原理：當發(fā)射時(shí)功率電流經(jīng)過(guò)發(fā)射互感器時(shí)，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(shí)編程時(shí)預設功率等級信號也送入功控;兩個(gè)信號在內部比較后產(chǎn)生一個(gè)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(cháng)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

 

當發(fā)射時(shí)，邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，送入中頻內部的發(fā)射調制器，與本振信號調制成發(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部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個(gè)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(jìn)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(huì )產(chǎn)生一個(gè)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(jīng)放大后由天線(xiàn)轉化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當發(fā)射時(shí)功率電流經(jīng)過(guò)發(fā)射互感器時(shí)，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(shí)編程時(shí)預設功率等級信號也送入功控;兩個(gè)信號在內部比較后產(chǎn)生一個(gè)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(cháng)功放使用壽命。

 

3 國產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈現狀

 

在射頻芯片領(lǐng)域，市場(chǎng)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(méi)有公司能夠獨立支撐IDM的運營(yíng)模式，主要為Fabless設計類(lèi)公司；國內企業(yè)通過(guò)設計、代工、封裝環(huán)節的協(xié)同，形成了“軟IDM“”的運營(yíng)模式。

 

 

射頻芯片設計方面，國內公司在5G芯片已經(jīng)有所成績(jì)，具有一定的出貨能力。射頻芯片設計具有較高的門(mén)檻，具備射頻開(kāi)發(fā)經(jīng)驗后，可以加速后續高級品類(lèi)射頻芯片的開(kāi)發(fā)。目前，具備射頻芯片設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、華虹設計、江蘇鉅芯、愛(ài)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體芯片代工廠(chǎng)，臺灣主要的代工廠(chǎng)有穩懋、宏捷科和寰宇，國內僅有三安光電和海威華芯開(kāi)始涉足化合物半導體代工。三安光電是國內目前國內布局最為完善，具有GaAs HBT/pHEMT和 GaNSBD/FET 工藝布局，目前在于國內200多家企事業(yè)單位進(jìn)行合作，有10多種芯片通過(guò)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致電路中連接線(xiàn)的對電路性能影響更大，封裝時(shí)需要減小信號連接線(xiàn)的長(cháng)度；另一方面需要把功率放大器、低噪聲放大器、開(kāi)關(guān)和濾波器封裝成為一個(gè)模塊,一方面減小體積另一方面方便下游終端廠(chǎng)商使用。為了減小射頻參數的寄生需要采用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封裝技術(shù)。

 

Flip-Chip和Fan-In、Fan-Out工藝封裝時(shí)，不需要通過(guò)金絲鍵合線(xiàn)進(jìn)行信號連接，減少了由于金絲鍵合線(xiàn)帶來(lái)的寄生電效應，提高芯片射頻性能；到5G時(shí)代，高性能的Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out結合Sip封裝技術(shù)會(huì )是未來(lái)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封裝。國內上市公司，長(cháng)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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