移動終端中三類射頻電路的發展趨勢分析

移動通信採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於重要的位置，射頻性能的好壞直接關係到信號的收、發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計思想和所採用的射頻器件的發展趨勢，已成為終端製造商的重要課題。

在當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、收發信機電路和頻率源電路。雖然這三部分電路採用的設計思想、實現材料與工藝有巨大不同，但三者都在各自的領域超著小型化和高性價比的方向發展。由於使用材料的本質差別和收發互擾的問題存在，三部分電路很難集成到一起。三部分電路在各自領域獨立發展，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展

半導體廠商多年來致力於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，許多元器件要麼集成到晶片當中，要麼隨著直接數字上/下變頻器的出現而消失。

但是，終端電路發展到現在，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。這兩種器件採用的構建技術都不兼容晶片上CMOS集成。在傳統上，濾波器一直採用陶瓷或聲表面波（SAW）技術構建，而射頻功放則一直使用砷化鎵（GaAs）異質結雙極電晶體（HBT）或FET器件構建。由於這些技術與射頻晶片使用的矽或矽鍺工藝有著很大區別，因此功放和濾波器一直作為分立器件，與現在執行手機大部分射頻功能的大規模集成晶片組分開。

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、天線開關或雙工器、前端（鏡頻）濾波器。由於射頻功放和前端濾波器收發隔離和工藝實現問題，二者集成到單一晶片中還存在較大的問題。天線開關或雙工器廠商在LTCC基片上嵌入接收前端濾波器，構成了現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，由於其小型化和低成本優勢，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。

功放廠商在其功放晶片基礎上利用GaAs工藝實現了天線開關或雙工器，構成了現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，由於其小型化和低成本的優勢，也在目前的GSM移動終端設計中得到普遍應用。天線開關或雙工器廠商和射頻功放生產廠商目前都在致力於三者的集成化開發和研究，因此，三者合一的射頻前端單片是移動終端射頻發展的必然趨勢。

圖2：集成天線開關的功率放大器架構圖。

收發信機的發展趨勢是直接變頻

射頻收發信機晶片的發展經歷了三個階段：第一階段，採用超外差二次變頻固定中頻射頻構架階段；第二階段，採用超外差二次變頻低中頻射頻構架階段；第三階段，採用直接變頻射頻構架階段；

圖3：採用超外差二次變頻系統架構的收發信機單晶片方案。

第一階段的射頻收發晶片是把經典的射頻超外差系統構架體系集成到單晶片中，採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，這一階段的典型晶片如INFINEON公司的PMB6253，採用了360MHz的中頻濾波器完成收發信號的上、下變頻處理和變換。

第二階段的射頻收發晶片是把經典的射頻超外差系統構架體系進行了調整，把第一本振的頻率大大提高，這個通過第一本振變頻後，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，再經過第二本振變頻濾波後得到射頻I、Q信號，送入基帶晶片進行處理。這一階段的射頻收、發晶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。低中頻射頻收發晶片典型的如臺灣MEDIA TEK公司的MT612X晶片。

第三階段的射頻收發晶片採用了一個鎖相環，一個VCO構成一個本振信號，收、發信號通過一次變頻後，直接變換為I、Q信號，由於本振信號等於工作信號頻率，變頻後的IF=0，直接可以去掉中頻濾波器。

採用直接變頻射頻構架的收、發晶片需要解決本振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穩定成熟後的收、發晶片目前已經得到廣泛的使用。典型的如TI公司的TRF6151和MEDIA TEK公司的MT6139等。

圖4：MT612X低中頻射頻收發晶片架構圖。

由於直接變頻（DCR/DCT）射頻構架有效地減少了晶片內部功能電路，以及中頻濾波器，在成本和體積上比第一、二階段的射頻收發晶片有可觀的降低和減小，成為目前最流行使用的射頻收發晶片。因此，DCR/DCT的收發晶片是以後射頻收發晶片發展的主要趨勢和主要應用。

圖5：採用直接變頻的射頻收發晶片架構圖。

圖6：直接變頻（DCR/DCT）發射電路原理圖。

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晶片內部所集成的小數分頻PLL的頻率合成器，精準的頻率提供給各本振所使用，鎖相環PLL所使用的參考基準頻率需要外置的晶體或晶振所提供。

圖8：由內含三點式電路的晶振構成的頻率源架構。

在移動通信終端外置基準頻率源發展過程中，主要經歷了兩個階段：第一階段採用溫度補償晶振階段；第二階段採用晶體階段。溫度補償晶振可以提供高穩定度的頻率，晶振內部包含了構成振蕩器的三點式電路構架，溫度補償晶振的使用為第一階段。隨著射頻收發晶片集成度的提高，頻率源的三點式電路集成到收發信機晶片內部，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架目前獲得了廣泛的使用。

本文小結

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域向前發展，集成的射頻前端FEM，直接變頻（DCR/DCT）構架的收發信機和外置晶體的頻率源成為以後移動終端射頻電路設計的主要發展趨勢。

圖9：只採用外置晶體的頻率源架構。

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