对于射频芯片来说，这篇文章就足够了！

2021-12-28 644

一部能够支持通话、短信、网络服务和APP应用的手机通常包含五个部分：射频、基带、电源管理、外围设备、软件。

RF：一般而言，是信息发送和接收的部分；

基带：一般来说，它是信息处理部分；

能源管理：一般来说，这是省电部分。由于手机是能源有限的设备，因此电源管理非常重要；外设：通常包括液晶显示屏、键盘、外壳等；软件：通常包括系统、驱动程序、中间件和应用程序。

在移动电话终端中，最重要的核心部件是射频芯片和基带芯片。射频芯片负责射频收发、频率合成和功率放大；基带芯片负责信号处理和协议处理。那么，射频芯片和基带芯片之间有什么关系呢？

射频芯片与基带芯片之间的关系
Radio frequency (Radio Frenquency) and baseband (Base Band) are both literal translations from English.其中，射频技术最早的应用是无线电广播（调频/调幅）。时至今日，这仍然是射频技术乃至整个无线电领域最经典的用途。

基带信号是指频带中心点为 0Hz 的信号，因此基带信号是最基本的信号。有些人也将基带称为“未调制信号”。这种说法以前是正确的。例如，调幅信号是一种调制信号（不需要调制，接收后可以通过发声元件读取其内容）。

但在现代通信领域，基带信号通常是指频谱中心点为 0Hz 的数字调制信号。而且，并没有明确的概念规定基带必须是模拟的还是数字的。这完全取决于具体的实现机制。

更贴近实际应用，基带芯片可以被认为包含调制解调器，但它不仅限于调制解调器，还包括信道编解码器、源编解码器和一些信令处理。射频芯片可以看作是基带调制信号最简单的上变频和下变频装置。

所谓调制，是指根据特定规则对要传输的信号进行调制，然后通过无线收发器（射频收发器）将其发送出去的过程。解调则是相反的过程。

工作原理及电路分析
射频（简称RF）是指射频电流，它是一种高频交变电磁波。它是Radio Frequency（射频）的缩写，代表可以辐射到太空中的电磁频率。其频率范围在300kHz到300GHz之间。每秒变化小于 1,000 次的交流电称为低频电流，每秒变化大于 10,000 次的交流电称为高频电流，射频就是一种高频电流。高频（大于 10K）；射频（300K-300G）是高频的较高频段；微波频段（300M-300G）是射频的较高频段。射频技术广泛应用于无线通信领域，有线电视系统也采用射频传输。

射频芯片是指将无线电信号通信转换成特定无线电信号波形并通过天线谐振发送出去的电子元件。它包括功率放大器、低噪声放大器和天线开关。射频芯片架构包括两部分：接收通道和发射通道。

射频电路框图

接收电路的结构和工作原理
接收时，天线将基站发送的电磁波转换成微弱的交流电流信号，经过滤波、高频放大后，发送到中频进行解调，得到接收到的基带信息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N），然后发送到逻辑音频电路进行进一步处理。

该电路掌握了以下关键点：
1. 接收器电路结构；
2. 各组成部分的功能和作用；
3. 接收信号过程。

电路结构
接收电路由天线、天线开关、滤波器、大功率管（低噪声放大器）、中频集成电路（接收解调器）和其他电路组成。早期的移动电话具有初级和次级混频电路，其目的是降低接收频率，然后对其进行解调（如下图所示）。

接收器电路框图

2. 各组成部分的功能
1）手机天线：结构体：（如下图）手机天线分为两种类型：外置天线和内置天线；它们由天线底座、螺线管和塑料外壳组成。

影响：
a) 接收时，基站发送的电磁波被转换成微弱的交流电流信号。
b) 发射时，经功率放大器放大的交流电流被转换成电磁波信号。

2）天线开关：
结构体：（如下图）手机天线开关（合路器、双工滤波器）由四个电子开关组成。

影响：

完成接收和发送切换；
完成900M/1800M信号接收切换。

逻辑电路根据手机的工作状态分别发出控制信号（GSM-RX-EN；DCS-RX-EN；GSM-TX-EN；DCS-TX-EN），从而打开相应的通道，使接收和发送信号各自独立运行，互不干扰。
因为手机不能在同一时隙内同时进行接收和发送（即接收时不能发送，发送时不能接收）。因此，后来的新型移动电话取消了接收路径中的两个开关，只保留了两个发射开关；接收切换任务由高放大管完成。
3）过滤器：
结构体：手机中有高频滤波器和中频滤波器。影响：滤除其他无用信号，获得纯净的接收信号。后来的新型手机都是零中频手机；因此，手机中没有中频滤波器。
4）高放大管（高频放大管，低噪声放大器）：
结构体：
手机中有两个高功率放大管：900米高排放管，1800米高排放管。它们都是三极管共射极放大电路；后来的新型移动电话在中频部分集成了高功率放大管。

高频放大管电源图

影响：

放大天线感应出的微弱电流，以满足后续电路的信号幅度要求。
完成900M/1800M接收信号切换。

原理：

供电：900M/1800M两根大功率放大管的基极偏置电压共用一个通道，该通道由中频同步通道提供；两根放大管的集电极偏置电压由中频CPU根据手机的接收状态，分两个通道输出，用于完成900M/1800M接收信号的切换。
经过滤波器滤除其他杂波后，纯净的 935M-960M 接收信号通过电容器耦合，送至相应的高倍放大管进行放大，然后通过电容器耦合送至中频进行后续级处理。

5）、中频（射频接口、射频信号处理器）：
结构体：它由接收解调器、发射调制器、发射相位检测器等电路组成；新型手机内部还集成了高放大管、频率合成器、26M振荡和分频电路（如下图所示）。

影响：
a) 内部高放大管放大天线感应的微弱电流；
b) 接收时，对接收到的 935M-960M (GSM) 载波频率信号（带对应信息）和本地振荡器信号（不带信息）进行解调，得到接收到的 67.707KHZ 基带信息；
c) 发射时，将逻辑电路处理的发射信息和本振信号调制成发射中频；
d) 将 13M/26M 晶体组合起来产生 13M 时钟（参考时钟电路）；e) 根据 CPU 发送的参考信号，生成符合手机工作信道的本地振荡器信号。

3. 接收信号过程
当手机接收信号时，天线将基站发送的电磁波转换成微弱的交流电流信号，该信号经过天线开关接收路径后，被送至高频滤波器，滤除其他无用杂波，得到纯净的935MHz-960MHz（GSM）接收信号。该信号经电容耦合至中频后，由相应的高倍放大管放大，送至解调器，对本振信号（不含信息）进行解调，得到67.707kHz接收基带信息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N），然后送至逻辑音频电路进行进一步处理。

发射机电路的结构和工作原理
发射时，逻辑电路处理的发射基带信息被调制成发射中频，TX-VCO 用于将发射中频信号的频率转换为 890M-915M（GSM）频率信号。经过功率放大器放大后，信号被转换成电磁波，并通过天线辐射出去。

该电路掌握了以下关键点：
（1）电路结构；
（2）各组成部分的功能和作用；
（3）信号传输过程。

电路结构
发射电路由发射调制器、发射相位检测器、发射压控振荡器（TX-VCO）、功率放大器（功率放大器）、功率控制器（功率控制）、发射变压器以及其他中频电路组成。（如下图）

发射器电路框图

2. 各组成部分的功能
1）发射调制器：结构体：发射调制器位于中频 (IF) 内部，相当于宽带网络中的调制器 (MOD)。影响：在传输过程中，由逻辑电路处理的传输基带信息（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N）和本地振荡器信号被调制成传输中频。

2). 发射压控振荡器（TX-VCO）：结构体：发射电压控制振荡器是一种电容式三点振荡器电路，其输出频率由电压控制；它在生产过程中集成到一块小型电路板上，并引出五个引脚：电源引脚、接地引脚、输出引脚、控制引脚、900M/1800M 频段切换引脚。当有合适的电压时，它会振荡并产生相应的频率信号。

影响：将中频调制器调制的发射中频信号转换为基站可以接收的 890M-915M (GSM) 频率信号。

原理：众所周知，基站只能接收890MHz-915MHz（GSM）频段的信号，但无法接收由中频调制器调制的中频信号（例如三星发射的135MHz中频信号）。因此，需要使用发射压控振荡器（TX-VCO）将发射的中频信号的频率转换为890MHz-915MHz（GSM）频段的信号。

发射时，电源部分输出 3VTX 电压，使 TX-VCO 工作，以两种方式产生 890M-915M (GSM) 频率信号：
a) 将采样信号送回内部中频，与本振信号混合，产生等于发射中频的发射频率鉴别信号，并将其送至相位检测器，与发射中频进行比较；如果 TX-VCO 的振荡频率与手机的工作信道不匹配，相位检测器将产生 1-4V 的跳变电压（带有交流发射信息的直流电压），以控制 TX-VCO 内部变容二极管的电容，从而达到调整频率精度的目的。

b) 经过功率放大器放大后，它被转换成电磁波，并通过天线辐射出去。
从以上内容可以看出：TX-VCO产生的频率被采样并发送回中频，然后产生电压来控制TX-VCO的工作。它形成一个闭环并控制频率相位，因此该电路也称为发射锁相环电路。

3）、功率放大器（power amplifier）：
结构体：目前，手机的功率放大器是双频功率放大器（900M功率放大器和1800M功率放大器集成在一个单元中），分为两种类型：胶皮功率放大器和铁壳功率放大器；不同型号的功率放大器不能互换。

影响：放大 TX-VCO 产生的振荡频率信号，以获得足够的功率电流，该电流通过天线转换为电磁波并辐射出去。

值得注意：功率放大器放大的是发射频率信号的幅度，而不是频率。

功率放大器的工作条件：
a), 工作电压（VCC）：手机放大器直接由电池（3.6V）供电；
b)，接地端子（GND）：导致电流形成回路；
c）、双频功率转换信号（BANDSEL）：控制功率放大器工作在 900M 或 1800M 频段；
d) 电源控制信号 (PAC)：控制功率放大器的放大倍数（工作电流）；
e)，输入信号（IN）；输出信号（OUT）。

4）发射变压器：结构体：两个线径和匝数相同的线圈彼此靠近放置，并利用互感原理构成。影响：将功率放大器发射功率电流样本发送到功率控制器。原理：在发射过程中，当功率放大器的发射功率电流通过发射变压器时，会在其次级侧感应出与功率电流大小相同的电流，该电流被检测（高频整流）并发送到功率控制。

5）功率电平信号：所谓功率等级，是指工程师在对手机进行编程时，将接收信号划分为八个等级。每个接收等级对应一个发射功率等级（如下表所示）。手机工作时，CPU会根据接收信号的强度判断手机与基站之间的距离，并发送相应的发射功率等级信号，以确定功率放大器的放大倍数（即接收强时，发射弱）。

附件为功率等级表：

6）、功率控制器（功率控制）：结构体：是一个运算比较放大器。
影响：将发射功率电流采样信号与功率电平信号进行比较，得到合适的电压信号来控制功率放大器的放大量。

原理：在传输过程中，当电流流过发射变压器时，检测其二次侧感应的电流（高频整流）并将其发送到功率控制器；同时，编程时预设的功率电平信号也发送到功率控制器；这两个信号在内部进行比较，产生一个电压信号来控制功率放大器的放大倍数，从而使功率放大器的工作电流适中，这不仅节省电能，而且延长了功率放大器的使用寿命（功率控制电压越高，功率放大器的功率越大）。

3. 信号传输过程
发射时，逻辑电路处理的发射基带信息（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N）被发送到中频内的发射调制器，并与本振信号一起调制成发射中频。如果中频信号基站无法接收，则必须使用 TX-VCO 将发射的中频信号的频率提高到 890M-915M（GSM），以便基站能够接收。当 TX-VCO 工作时，由 890M-915M (GSM) 产生的频率信号有两种传输方式：

a) 将一个采样通道送回内部中频，与本振信号混合，产生等于发射中频的发射频率鉴别信号，并将其送至相位检测器，与发射中频进行比较；如果 TX-VCO 的振荡频率与手机的工作信道不匹配，相位检测器将产生 1-4V 的跳变电压，以控制 TX-VCO 内部变容二极管的电容，从而调节频率。
b). 双向输入功率放大器通过天线放大并转换为电磁波进行辐射。为了控制功率放大器的放大倍数，在发射过程中，当功率电流流过发射变压器时，检测其二次侧感应的电流（高频整流）并将其发送至功率控制器；同时，编程时预设的功率电平信号也发送至功率控制器；这两个信号在内部进行比较，生成电压信号以控制功率放大器的放大倍数，从而使功率放大器的工作电流适中，这不仅节省电能，而且延长了功率放大器的使用寿命。

国内射频芯片产业链现状
在射频芯片领域，市场主要由海外巨头垄断。就国内射频芯片而言，没有一家公司能够独立支撑IDM运营模式，主要以无晶圆厂设计公司为主；国内公司通过在设计、代工和封装等方面的合作，形成了“软IDM”运营模式。

在射频芯片设计方面，国内企业在5G芯片领域已取得成果，并具备一定的出货能力。射频芯片设计门槛很高。拥有射频开发经验可以加速后续高端射频芯片的开发。

就射频芯片封装而言，一方面，5G射频芯片的频率不断提高，导致电路中的连接线对电路性能的影响更大。封装时，需要缩短信号连接线的长度；另一方面，功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器等元件需要封装成模块。这既能缩小尺寸，又能方便下游终端厂商使用。为了降低射频参数的寄生效应，需要采用倒装芯片、扇入式和扇出式封装技术。

采用扇入/扇出工艺进行倒装芯片封装时，无需使用金线键合进行信号连接，从而降低了金线键合带来的寄生电效应，提高了芯片的射频性能。在5G时代，高性能倒装芯片/扇入/扇出封装结合SIP封装技术将成为未来的封装趋势。