射頻芯片的工作原理與電路分析

傳統來說，一部可支持打電話、發短信、網絡服務、APP 應用的手機，一般包含五個部分部分：射頻部分、基帶部分、電源管理、外設、軟件。?

射頻：一般是信息發送和接收的部分；

基帶：一般是信息處理的部分；

電源：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，機殼等；

軟件：一般包括系統、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。那么射頻芯片和基帶芯片是什么關系？

射頻芯片和基帶芯片的關系

先講一下歷史，射頻（Radio Frenquency）和基帶（Base Band）皆來自英文直譯。其中射頻最早的應用就是 Radio——無線廣播（FM/AM），迄今為止這仍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，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”，曾經這個概念是對的，例如 AM 為調制信號（無需調制，接收后即可通過發聲元器件讀取內容）。?

但對于現代通信領域而言，基帶信號通常都是指經過數字調制的，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字的，這完全看具體的實現機制。?

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，通過一定的規則調制到載波上面讓后通過無線收發器（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。射頻技術在無線通信領域中被廣泛使用，有線電視系統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換成一定的無線電信號波形， 并通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作原理

接收時，天線把基站發送來電磁波轉為微弱交流電流信號經濾波，高頻放大后，送入中頻內進行解調，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一步處理。?

該電路掌握重點：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、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：?

結構：(如下圖)?

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。?

作用：a)、接收時把基站發送來電磁波轉為微弱交流電流信號。b)、發射時把功放放大后的交流電流轉化為電磁波信號。?

2)、天線開關：?

結構：(如下圖)?

手機天線開關(合路器、雙工濾波器)由四個電子開關構成。?

作用：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作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。?

由于手機工作時接收和發射不能同時在一個時隙工作(即接收時不發射，發射時不接收)。因此后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。?

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;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)、對天線感應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。?

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：經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的高放管放大后經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)：?

結構：由接收解調器、發射調制器、發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，得到 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制成發射中頻；

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，天線把基站發送來電磁波轉為微弱交流電流信號，經過天線開關接收通路，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一步處理。?

發射電路的結構和工作原理

發射時，把邏輯電路處理過的發射基帶信息調制成的發射中頻，用 TX-VCO 把發射中頻信號頻率上變為 890M-915M(GSM)的頻率信號。經功放放大后由天線轉為電磁波輻射出去。?

該電路掌握重點：(1)、電路結構；(2)、各元件的功能與作用；(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制器、發射鑒相器;發射壓控振蕩器(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。(如下圖)

發射電路方框圖?

2. 各元件的功能與作用?

1)、發射調制器：?

結構：發射調制器在中頻內部，相當于寬帶網絡中的 MOD。?

作用：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)與本振信號調制成發射中頻。?

2)、發射壓控振蕩器(TX-VCO)：?

結構：發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。當有合適工作電壓后便振蕩產生相應頻率信號。?

作用：把中頻內調制器調制成的發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(如三星發射中頻信號 135M)基站不能接收的，因此，要用 TX-VCO 把發射中頻信號頻率上變為 890M-915M(GSM)的頻率信號。?

當發射時，電源部分送出 3VTX 電壓使 TX-VCO 工作，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鑒頻信號，送入鑒相器中與發射中頻進行較;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)、送入功放經放大后由天線轉為電磁波輻射出去。?

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 工作;剛好形成一個閉合環路，且是控制頻率相位的，因此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，經天線轉化為電磁波輻射出去。?

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。?

作用：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經過發射互感器時，在其次級感生與功率電流同樣大小的電流，經檢波(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，每個接收等級對應一級發射功率(如下表)，手機在工作時，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：為一個運算比較放大器。?

作用：把發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：當發射時功率電流經過發射互感器時，在其次級感生的電流，經檢波(高頻整流)后并送入功控;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后產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制器，與本振信號調制成發射中頻。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為 890M-915M(GSM)的頻率信號基站才能接收。當 TX-VCO 工作后，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鑒頻信號，送入鑒相器中與發射中頻進行較;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后由天線轉化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當發射時功率電流經過發射互感器時，在其次級感生的電流，經檢波(高頻整流)后并送入功控;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后產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。

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，沒有公司能夠獨立支撐 IDM 的運營模式，主要為 Fabless 設計類公司；國內企業通過設計、代工、封裝環節的協同，形成了“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，具有一定的出貨能力。射頻芯片設計具有較高的門檻，具備射頻開發經驗后，可以加速后續高級品類射頻芯片的開發。目前，具備射頻芯片設計的公司有紫光展銳、唯捷創芯、中普微、中興通訊、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，臺灣已經成為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 多家企事業單位進行合作，有 10 多種芯片通過性能驗證，即將量產。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。為了減小射頻參數的寄生需要采用 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，提高芯片射頻性能；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封裝。國內上市公司，長電科技收購星科金朋后，形成了完整的 FlipChip+Sip 技術的封裝能力。