對於射頻晶片來說，這篇文章就足夠了！

2021-12-28 640

一部能夠支援通話、簡訊、網路服務和APP應用程式的手機通常包含五個部分：射頻、基頻、電源管理、週邊、軟體。

射頻：一般而言，是訊息發送和接收的部分；

基頻：一般來說，它是資訊處理部分；

能源管理：一般來說，這是省電部分。由於手機是能源有限的設備，因此電源管理非常重要；外設：通常包括液晶顯示器、鍵盤、外殼等；軟件：通常包括系統、驅動程式、中間件和應用程式。

在行動電話終端機中，最重要的核心部件是射頻晶片和基頻晶片。射頻晶片負責射頻收發、頻率合成和功率放大；基頻晶片負責訊號處理和協定處理。那麼，射頻晶片和基頻晶片之間有什麼關係呢？

射頻晶片與基頻晶片之間的關係
Radio frequency (Radio Frenquency) and baseband (Base Band) are both literal translations from English.其中，射頻技術最早的應用是無線電廣播（調頻/調幅）。時至今日，這仍然是射頻技術乃至整個無線電領域最經典的用途。

基頻訊號是指頻帶中心點為 0Hz 的訊號，因此基頻訊號是最基本的訊號。有些人也將基帶稱為「未調製訊號」。這種說法以前是正確的。例如，調幅訊號是一種調製訊號（不需要調製，接收後可以透過發聲元件讀取其內容）。

但在現代通訊領域，基頻訊號通常是指頻譜中心點為 0Hz 的數位調變訊號。而且，並沒有明確的概念規定基帶必須是類比的還是數位的。這完全取決於具體的實現機制。

更貼近實際應用，基頻晶片可以被認為包含調變解碼器，但它不僅限於調變解碼器，還包括通道編解碼器、來源編解碼器和一些訊號處理。射頻晶片可以看作是基頻調變訊號最簡單的上變頻和下變頻裝置。

所謂調製，是指根據特定規則對要傳輸的訊號進行調製，然後透過無線收發器（射頻收發器）將其發送出去的過程。解調則是相反的過程。

工作原理與電路分析
射頻（簡稱RF）是指射頻電流，它是一種高頻交變電磁波。它是Radio Frequency（射頻）的縮寫，代表可以輻射到太空中的電磁頻率。其頻率範圍在300kHz到300GHz之間。每秒變化小於 1,000 次的交流電稱為低頻電流，每秒變化大於 10,000 次的交流電稱為高頻電流，射頻就是一種高頻電流。高頻（大於 10K）；射頻（300K-300G）是高頻的較高頻段；微波頻段（300M-300G）是射頻的較高頻段。射頻技術廣泛應用於無線通訊領域，有線電視系統也採用射頻傳輸。

射頻晶片是指將無線電訊號通訊轉換成特定無線電訊號波形並透過天線諧振發送出去的電子元件。它包括功率放大器、低雜訊放大器和天線開關。射頻晶片架構包括兩個部分：接收通道和發射通道。

射頻電路框圖

接收電路的結構與工作原理
接收時，天線將基地台發送的電磁波轉換成微弱的交流電流訊號，經濾波、高頻放大後，傳送到中頻進行解調，得到接收到的基頻訊息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N），然後再發送到邏輯音訊電路進行進一步處理。

此電路掌握了以下關鍵點：
1. 接收器電路結構；
2. 各組成部分的功能和作用；
3. 接收訊號過程。

電路結構
接收電路由天線、天線開關、濾波器、高功率管（低雜訊放大器）、中頻積體電路（接收解調器）和其他電路組成。早期的行動電話具有初級和次級混頻電路，其目的是降低接收頻率，然後對其進行解調（如下圖所示）。

接收器電路框圖

2. 各組成部分的功能
1）手機天線：結構體：（如下圖）手機天線分為兩種類型：外置天線和內建天線；它們由天線底座、螺線管和塑膠外殼組成。

影響：
a) 接收時，基地台發送的電磁波會轉換成微弱的交流電流訊號。
b) 發射時，經功率放大器放大的交流電流轉換成電磁波訊號。

2）天線開關：
結構體：（如下圖）手機天線開關（合路器、雙工濾波器）由四個電子開關組成。

影響：

完成接收與發射切換；
完成900M/1800M訊號接收切換。

邏輯電路根據手機的工作狀態分別發出控制訊號（GSM-RX-EN；DCS-RX-EN；GSM-TX-EN；DCS-TX-EN），從而打開相應的通道，使接收和發送訊號各自獨立運行，互不干擾。
因為手機不能在同一時隙內同時進行接收和發送（即接收時不能發送，發送時不能接收）。因此，後來的新型行動電話取消了接收路徑中的兩個開關，只保留了兩個發射開關；接收切換任務由高放大管完成。
3）過濾器：
結構體：手機中有高頻濾波器和中頻濾波器。影響：濾除其他無用訊號，獲得純淨的接收訊號。後來的新型手機都是零中頻手機；因此，手機中沒有中頻濾波器。
4）高放大管（高頻放大管，低雜訊放大器）：
結構體：
手機中有兩個高功率放大管：900公尺高排放管，1800公尺高排放管。它們都是三極管共射極放大電路；後來的新型行動電話在中頻部分整合了高功率放大管。

高頻放大管電源圖

影響：

放大天線感應出的微弱電流，以滿足後續電路的訊號幅度要求。
完成900M/1800M接收訊號切換。

原理：

供電：900M/1800M兩根高功率放大管的基極偏壓共用一個通道，該通道由中頻同步通道提供；兩根放大管的集電極偏壓由中頻CPU根據手機的接收狀態，分兩個通道輸出，用於完成900M/1800M接收訊號的切換。
經過濾波器濾除其他雜波後，純淨的 935M-960M 接收訊號透過電容器耦合，送至對應的高倍放大管進行放大，然後透過電容器耦合送至中頻進行後續級處理。

5）、中頻（射頻介面、射頻訊號處理器）：
結構體：它由接收解調器、發射調變器、發射相位偵測器等電路組成；新型手機內部也整合了高放大管、頻率合成器、26M振盪和分頻電路（如下圖所示）。

影響：
a) 內部高放大管放大天線感應的微弱電流；
b) 接收時，將接收到的 935M-960M (GSM) 載波頻率訊號（有對應訊息）和本地振盪器訊號（不含訊息）進行解調，得到接收到的 67.707KHZ 基頻訊息；
c) 發射時，將邏輯電路處理的發射訊息和本振訊號調製成發射中頻；
d) 將 13M/26M 晶體組合起來產生 13M 時脈（參考時脈電路）；e) 根據 CPU 發送的參考訊號，產生符合手機工作頻道的本地振盪器訊號。

3. 接收訊號過程
當手機接收訊號時，天線將基地台發送的電磁波轉換成微弱的交流電流訊號，經過天線開關接收路徑後，送至高頻濾波器，濾除其他無用雜波，得到純淨的935MHz-960MHz（GSM）接收訊號。此訊號經電容耦合至中頻後，由對應的高倍放大管放大，送至解調器，對本振訊號（不含訊息）進行解調，得到67.707kHz接收基頻訊息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N），然後送至邏輯音訊電路進行進一步處理。

發射機電路的結構與工作原理
發射時，邏輯電路處理的發射基頻資訊被調製成發射中頻，TX-VCO 用於將發射中頻訊號的頻率轉換為 890M-915M（GSM）頻率訊號。經過功率放大器放大後，訊號被轉換成電磁波，並透過天線輻射出去。

此電路掌握了以下關鍵點：
（1）電路結構；
（2）各組成部分的功能和作用；
（3）訊號傳輸過程。

電路結構
發射電路由發射調變器、發射相位檢測器、發射壓控振盪器（TX-VCO）、功率放大器（功率放大器）、功率控制器（功率控制）、發射變壓器等中頻電路組成。（如下圖）

發射器電路框圖

2. 各組成部分的功能
1）發射調製器：結構體：發射調變器位於中頻 (IF) 內部，相當於寬頻網路中的調變器 (MOD)。影響：在傳輸過程中，由邏輯電路處理的傳輸基頻資訊（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N）和本地振盪器訊號被調製成傳輸中頻。

2). 發射壓控振盪器（TX-VCO）：結構體：發射電壓控制振盪器是一種電容式三點振盪器電路，其輸出頻率由電壓控制；它在生產過程中整合到一塊小型電路板上，並引出五個引腳：電源引腳、接地引腳、輸出引腳、控制引腳、900M/1800M 頻段切換引腳。當有合適的電壓時，它會振盪並產生相應的頻率訊號。

影響：將中頻調變器調變的發射中頻訊號轉換為基地台可以接收的 890M-915M (GSM) 頻率訊號。

原理：眾所周知，基地台只能接收890MHz-915MHz（GSM）頻段的訊號，但無法接收中頻調變器調製的中頻訊號（例如三星發射的135MHz中頻訊號）。因此，需要使用發射壓控振盪器（TX-VCO）將發射的中頻訊號的頻率轉換為890MHz-915MHz（GSM）頻段的訊號。

發射時，電源部分輸出 3VTX 電壓，使 TX-VCO 工作，以兩種方式產生 890M-915M (GSM) 頻率訊號：
a) 將取樣訊號送回內部中頻，與本振訊號混合，產生等於發射中頻的發射頻率鑑別訊號，並將其送至相位檢測器，與發射中頻進行比較；如果 TX-VCO 的振盪頻率與手機的工作頻道不匹配，相位偵測器將產生 1-4V 的跳變電壓（具有交流電發射器的極準發射器，以調整內部變速器的電壓變5

b) 經過功率放大器放大後，它被轉換成電磁波，並透過天線輻射出去。
從上面可以看出：TX-VCO產生的頻率被取樣並傳送回中頻，然後產生電壓來控制TX-VCO的工作。它形成一個閉環並控制頻率相位，因此該電路也稱為發射鎖相環電路。

3）、功率放大器（power amplifier）：
結構體：目前，手機的功率放大器是雙頻功率放大器（900M功率放大器和1800M功率放大器整合在一個單元中），分為兩種類型：膠皮功率放大器和鐵殼功率放大器；不同型號的功率放大器不能互換。

影響：放大 TX-VCO 產生的振盪頻率訊號，以獲得足夠的功率電流，該電流透過天線轉換為電磁波並輻射出去。

值得注意：功率放大器放大的是發射頻率訊號的幅度，而不是頻率。

功率放大器的工作條件：
a), 工作電壓（VCC）：手機擴大機直接由電池（3.6V）供電；
b)，接地端子（GND）：導致電流形成迴路；
c）、雙頻功率轉換訊號（BANDSEL）：控制功率放大器工作在 900M 或 1800M 頻段；
d) 電源控制訊號 (PAC)：控制功率放大器的放大倍率（工作電流）；
e)，輸入訊號（IN）；輸出訊號（OUT）。

4）發射變壓器：結構體：兩個線徑和匝數相同的線圈彼此靠近放置，並利用互感原理構成。影響：將功率放大器發射功率電流樣本傳送到功率控制器。原理：在發射過程中，當功率放大器的發射功率電流通過發射變壓器時，會在其次級側感應出與功率電流大小相同的電流，該電流被檢測（高頻整流）並發送到功率控制。

5）功率電平訊號：所謂功率等級，是指工程師在對手機進行程式設計時，將接收訊號分成八個等級。每個接收等級對應一個發射功率等級（如下表所示）。手機工作時，CPU會根據接收訊號的強度判斷手機與基地台之間的距離，並發送對應的發射功率等級訊號，以確定功率放大器的放大倍率（即接收強時，發射弱）。

附件為功率等級表：

6）、功率控制器（功率控制）：結構體：是一個運算比較放大器。
影響：將發射功率電流取樣訊號與功率電平訊號進行比較，得到適當的電壓訊號來控制功率放大器的放大量。

原理：在傳輸過程中，當電流流過發射變壓器時，檢測其二次側感應的電流（高頻整流）並將其發送到功率控制器；同時，編程時預設的功率電平訊號也發送到功率控制器；這兩個訊號在內部進行比較，產生一個電壓訊號來控制功率放大器的放大倍率，從而使功率放大器的工作電流中，這不僅節省功率放大器的功率。

3. 訊號傳輸過程
發射時，邏輯電路處理的發射基頻資訊（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N）被傳送到中頻內的發射調變器，並與本振訊號一起調製成發射中頻。如果中頻訊號基地台無法接收，則必須使用 TX-VCO 將發射的中頻訊號的頻率提高到 890M-915M（GSM），以便基地台能夠接收。當 TX-VCO 工作時，由 890M-915M (GSM) 產生的頻率訊號有兩種傳輸方式：

a) 將一個取樣通道送回內部中頻，與本振訊號混合，產生等於發射中頻的發射頻率鑑別訊號，並將其送至相位偵測器，與發射中頻進行比較；如果 TX-VCO 的振盪頻率與手機的工作頻道不匹配，相位偵測器將產生 1-4V 的跳變電壓，以控制 TX-VCO 內部變容，從而調節頻率。
b). 雙向輸入功率放大器透過天線放大並轉換為電磁波進行輻射。為了控制功率放大器的放大倍率，在發射過程中，當功率電流流過發射變壓器時，檢測其二次側感應的電流（高頻整流）並將其發送至功率控制器；同時，編程時預設的功率電平訊號也發送至功率控制器；這兩個訊號在內部進行比較，產生電壓訊號以控制功率放大器的放大倍率，從而使放大器的功率降低。

國內射頻晶片產業鏈現狀
在射頻晶片領域，市場主要由海外巨擘壟斷。就國內射頻晶片而言，沒有一家公司能夠獨立支撐IDM營運模式，主要以無晶圓廠設計公司為主；國內公司透過在設計、代工和封裝等方面的合作，形成了「軟IDM」營運模式。

在射頻晶片設計方面，國內企業在5G晶片領域已取得成果，並具備一定的出貨能力。射頻晶片設計門檻很高。具備射頻開發經驗可以加速後續高階射頻晶片的開發。

就射頻晶片封裝而言，一方面，5G射頻晶片的頻率不斷提高，導致電路中的連接線對電路性能的影響更大。封裝時，需要縮短訊號連接線的長度；另一方面，功率放大器、低雜訊放大器、開關和濾波器等元件需要封裝成模組。這既能縮小尺寸，又能方便下游終端廠商使用。為了降低射頻參數的寄生效應，需要採用倒裝晶片、扇入式和扇出式封裝技術。

採用扇入/扇出製程進行倒裝晶片封裝時，無需使用金線鍵合進行訊號連接，從而降低了金線鍵合帶來的寄生電效應，提高了晶片的射頻性能。在5G時代，高效能倒裝晶片/扇入/扇出封裝結合SIP封裝技術將成為未來的封裝趨勢。