談智能射頻技術(shù)降低手機能耗*

張 艷

（宜賓職業(yè)技術(shù)學院）

對于手機來說，射頻設備是手機無線網(wǎng)絡連接發(fā)展的關(guān)鍵，近年來，隨著5G智能手機的不斷推廣，規(guī)定手機的終端設備可以同時解決不同的無線通信系統(tǒng)，在通信系統(tǒng)層面的工作中，手機的射頻器件是鏈路的關(guān)鍵。由于手機市場的需求，不斷推動著我國手機射頻前端市場的不斷發(fā)展，而這對實踐活動伴隨著技術(shù)的飛速發(fā)展和5G時代，因此，射頻前端的效率和使用價值極高，它可能會超過主芯片。

一、降低功率放大器功耗的重要性

對于手機來說，微波射頻模塊是電池管理的重中之重，功放電路（PA）的主要功能體現(xiàn)在它能夠根據(jù)功放電路將基帶芯片信號部署到射頻信號上，在手機應用中，因為放大器從DC/DC或VBAT取電的整個過程中會不斷消耗手機的電量，因此，降低放大器的功耗是問題的根源。PA降低能耗的基本途徑如下：一是提高DC/DC應用的高效率，降低能耗；第二，使用智能手機中存儲的微波射頻功率放大電路集成ic，因此，考慮放大器和電流消耗元件的影響以及應用高效率DC/DC是設計的重中之重。此外，部分地區(qū)信號不佳以及手機本身可能存在的不足都會導致手機輸出功耗的增加，因此，設計人員必須找到有效的方法來管理開關(guān)電源，以繼續(xù)增加其使用時間[1]。

二、目前手機射頻前端的發(fā)展狀況

（一）手機射頻前端介紹

手機射頻前端主要包括射頻前端、天線及其發(fā)射芯片。手機中的功能主要用于接收、發(fā)射和解決高頻電磁波。天線的實際作用是在工作時對磁感應信號和射頻前端的信號進行變換。射頻芯片將基帶芯片信號和微波射頻信號相互轉(zhuǎn)換。RF前端的作用是解決Aries和發(fā)射信號的問題。就目前的技術(shù)進步狀況而言，基帶芯片比手機上的射頻芯片集成度更高，集成在主芯片內(nèi)部。設計天線時，幾乎是同時進行的。由于原材料的原因，射頻前端很難與芯片集成。融合在一起。以往手機上微波射頻的發(fā)展趨勢目前有多種。因此，專業(yè)技術(shù)人員會根據(jù)手機射頻前端功能的不同進行分類。射頻前端主要包括濾波器、天線功率開關(guān)和LNA（低噪聲放大器）、PA（Power Amplifier，功放電路）、雙工器等組成[2]。

（二）手機射頻前端市場的發(fā)展狀況

隨著我國通信技術(shù)的飛速發(fā)展，新特性、新款式、新頻段的加入越來越多，手機射頻前端的進步也越來越關(guān)鍵，根據(jù)全球手機微波射頻市場調(diào)查報告顯示，現(xiàn)階段全球手機射頻前端市場規(guī)模已達120億美元，經(jīng)相關(guān)市場數(shù)據(jù)分析師分析，預計2020年后，市場配額極有可能解決200億美元。2013年以來，手機市場的范圍不斷擴大，擴張效率極為快速，盡管近年來速度有所下降，但從平均水平來看，維持在15%左右。現(xiàn)階段，全球大部分手機市場都處于飽和狀態(tài)，未來很難保持同樣的好轉(zhuǎn)，不過，隨著5G技術(shù)的不斷完善，必然會擴大手機設備市場的業(yè)務規(guī)模。

（三）手機射頻前端技術(shù)的發(fā)展趨勢

通過技術(shù)科研人員的不斷努力，移動射頻前端技術(shù)要發(fā)展壯大，那么工作中的專業(yè)技術(shù)人員就需要著眼于提高技術(shù)定位、處理速度，未來手機射頻前端的發(fā)展具有關(guān)鍵作用。在未來手機市場的發(fā)展趨勢中，手機射頻前端要求的總數(shù)會大大增加，手機的體積尺寸也不容易發(fā)生很大的變化，但由于在不斷改進手機的功能和質(zhì)量，手機廠商在同體積、同性質(zhì)的情況下，配備了大量的手機手機射頻前端。手機射頻前端還有一個極為良好的未來發(fā)展優(yōu)勢，就是手機射頻前端在高頻范圍的不斷開發(fā)和設計，這也是由于現(xiàn)階段手機射頻前端的原材料技術(shù)難以提升。因此，工作中的專業(yè)技術(shù)人員只能在射頻前端的高頻設計上下功夫。

三、射頻開關(guān)類別

（一）天線開關(guān)

在蜂窩式天線中，通常放置一個高投多模光纖多頻開關(guān)，以選擇已經(jīng)轉(zhuǎn)換為手機中信息內(nèi)容的微波射頻無線信號從天線中推，無線天線和接收到的微波射頻無線信號稱為顯性無線天線開關(guān)模塊（Antenna Switch Module，ASM）[3]。ASM 的主要特點是它包括一個帶有無線天線的微波射頻端口號，因為它集成了GSM推送信道和許多3G/4G收發(fā)信道，所以通常規(guī)格更大，最多樣化，ASM的輸出功率體積也是最強的，因為必須有35dBmGSMTx的輸出功率量，加上環(huán)境因素造成的無線天線失配，它的PlaB應該接近40dBm（10wW）。低插入損耗（II）是主無線天線開關(guān)的關(guān)鍵指標值，減少接收端口數(shù)會減少后續(xù)LNA的負OR，從而提高信號接收器的靈敏度，此外，GSMTx 和 Rx 端口號之間的隔離度必須足夠大，以防止大功率 Tx 信號泄漏到 Rx 路徑中，這可能會對信號接收器造成損壞。為了更好地消除這種影響，無線主天線開關(guān)應該能夠在無線天線失配的情況下保持良好的諧波電流特性，尤其需要在GSMTx路徑中具有出色的諧波電流抑制規(guī)定（<-30 dBm）。例如，阻塞 GSM 低頻段 (LB) 信號 (850/900 MHz) 會影響 GSM高頻段 (HB) 信號 (1800/1900 MHz)。 GSM Tx諧波電流抑制調(diào)節(jié)通?？梢酝ㄟ^在兩個GSM LB和HB Tx端口號上分別集成兩個帶通濾波器（LPF）來完成。表面聲波 (SAW) 濾波器可以提供幾乎極端的頻率選擇，并且通常在此階段的 GSMRx 端找到。在GaAs 或 SiO2 襯底上制造的集成無源器件 (IPD) 濾波器可以帶來出色的諧波電流抑制規(guī)定和高功率容量，這在 GSMTx 端口號中很常見。與SAW濾波器類似，BAW濾波器可以提供相同的濾波特性，同時具有更強的可靠性，正在慢慢獲得普遍認可。

（二）頻帶選擇開關(guān)

頻段選擇開關(guān)適用于將多模光纖雙頻寬帶網(wǎng)絡PA模塊上的3G/4G部署信號的輸入輸出端轉(zhuǎn)換為單獨的頻段，此時，稱為后置PA（Post-PA）[4]頻段。選擇一個開關(guān)。選擇帶有頻段選擇開關(guān)的寬帶功放機框，可以很好地減少開發(fā)的多樣化，降低成本和功能損耗。隨著越來越多的頻段和方法在射頻前端的應用，多模光纖多頻功率放大器電路模塊（MMMB PAM）[5]的應用取代了許多僅為特殊設計而設計的冗余多模功率放大器，信號工作頻率已成為發(fā)展趨勢，與無線天線開關(guān)相比，選頻開關(guān)無論是投擲次數(shù)還是輸出功率音量都比較小，這也是因為它是使用3G/4G MMMB PAM的關(guān)鍵。這種開關(guān)的要求是開關(guān)必須解析射頻信號脈沖信號。外部PA（Pre-PA）頻段選擇開關(guān)置于PA輸入端口號之前，必須處理的射頻信號功率低（一般為0dBm以下）；后PA頻段選擇開關(guān)連接PA的輸出端口號，必須處理的射頻信號通過PA增大后，最大輸出功率通常可以達到27-30dBm，但仍遠低于GSM模式下信號的最高輸出功率。

（三）非蜂窩系統(tǒng)中的收發(fā)開關(guān)

在非蜂窩無線網(wǎng)絡連接層面，交換機具有非常核心的功能，用于信號轉(zhuǎn)換，將不同的無線網(wǎng)絡信號連接到無線天線，智能手機中的WiFi連接、移動藍牙通信、RFID和無線電廣播錄音機/移動電視的功能必須通過額外的開關(guān)組件來輔助。這類開關(guān)屬于低擲數(shù)和低輸出功率的開關(guān)，通常規(guī)格較小，工作電壓較低，用于WiFi/手機藍牙的低投開關(guān)屬于低輸出功率開關(guān)，最大P1dB在30dBm左右，對于2.4GHLz頻段的應用，一般使用SPDT或SP3T開關(guān)設備，實際是否包含手機藍牙信號功能。5GHz頻段一般采用配備SPDT的開關(guān)，F(xiàn)M收音機是目前覆蓋范圍最廣的無線網(wǎng)絡連接技術(shù)之一，如今，它已經(jīng)從一個接收功能發(fā)展成為一個包含無線電廣播推送功能的機器，通常SPDT開關(guān)可用于在推送和接收功能之間切換，此外，SP3T或SP4T開關(guān)的設計可滿足移動電視應用的要求。

四、射頻開關(guān)設計原理

（一）串聯(lián)結(jié)構(gòu)與串-并聯(lián)結(jié)構(gòu)

插入損耗和隔離的關(guān)鍵由開關(guān)閉合和閉合時的關(guān)斷電阻Rn和關(guān)斷電容Co決定，因為Ro與FET的總寬度W成反比，而Cof與FET的總寬度W正相關(guān)，給定柵極長度L，當元件的總寬度W增大時，關(guān)斷電阻Ra會減小，插入損耗也會減小。隨著減小，此時關(guān)斷電容Co會膨脹，導致漏電增加，隔離度降低；反之，當元件總寬度W減小時，關(guān)斷電容Cor減小，開關(guān)隔離度增大，此時關(guān)斷電阻R增大，這促進了插入損耗的百分比增加。顯然，一個只包含串聯(lián)結(jié)構(gòu)的微波射頻開關(guān)，必須具備最合適的插入損耗和隔離特性才能完成，在很多應用中，這種結(jié)構(gòu)不能同時滿足系統(tǒng)插入損耗和隔離的要求。因此，串并聯(lián)配置開關(guān)在每個臂上并聯(lián)一個接地的場效應管，同時選擇并聯(lián)場效應管的工作電壓，即串聯(lián)場效應管電位差的反向電壓。當串聯(lián)回路的開關(guān)管處于閉合狀態(tài)（相當于關(guān)斷電阻）時，并聯(lián)回路的開關(guān)管處于斷開狀態(tài)（相當于關(guān)斷電容）。這種結(jié)構(gòu)可以顯著提高開關(guān)的隔離度，同時對插入損耗的危害很小。

（二）柵電阻與漏-源電阻

用于連接FET柵極電壓的電阻Rg稱為柵極偏置電阻，其值一般為kOhm，它的作用關(guān)鍵有二：一方面是用來保護射頻信號和直流信號，避免射頻信號，直流偏置電源電路造成影響；另一方面是避免射頻信號波形的丟失，減少微波射頻損耗。一般來說，寄存器的電壓值越大，射頻信號保護的實際效果越好，添加到截止管的信號會更均勻地分布在柵源和柵漏之間。然而，過大的柵極電阻會損害開關(guān)的開關(guān)速率，柵極電阻和柵極電容等效電路的穩(wěn)態(tài)值決定了微波射頻開關(guān)的轉(zhuǎn)換率，當柵極電阻膨脹時，開關(guān)速率會變慢。因此，柵極電阻的選擇必須是最合適的考慮。另外，放置在場效應管漏源極的電阻Rps稱為“漏源歸一化電阻”，其值一般在10～20kOhm之間，以穩(wěn)定漏源兩側(cè)的直流電源電位，避免了整個轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)源漏電造成地顯著直流壓降，穩(wěn)定直流偏置，合理避免信號波形丟幀，提高線性度。特別是選擇重疊方式時，漏源電阻可以減少電子管重疊鏈上工作電壓擺幅的不相交分布，有利于提高線性度。

五、射頻開關(guān)在智能手機中的應用

（一）高集成度的含 GSM濾波器 SOI SP14T MIPI天線開關(guān)模組設計

觀察智能手機的射頻前端電源電路，可以發(fā)現(xiàn)在很小的物理體積內(nèi)對多種無線信號的操作和兼容性的多樣性，這種多樣性對智能手機中的微波射頻開關(guān)設計，尤其是對主無線天線開關(guān)模塊（ASM）[6]的設計提出了極大的考驗，ASM必須在相對有限的總物理面積中集成超過14條并行處理路徑，同時在較寬的工作頻率范圍內(nèi)提供低插入損耗 (Ⅱ)和出色的線性度。完成ASM設計的關(guān)鍵是由規(guī)范規(guī)定的，MIPIRFFE數(shù)字控制邏輯應用，正工作電壓發(fā)生器包括帶隙和LDO電源電路，負工作電壓發(fā)生器包括電荷泵電源電路、脈沖信號轉(zhuǎn)換和SP14TRF核心電源電路。MIPIsocket的作用是輸入串行通訊指令，驅(qū)動邏輯控制回路完成十四個信號通道的通斷，工作電壓發(fā)生器專為其他電源電路和開關(guān)管提供穩(wěn)定的2.5V工作電壓。負電壓產(chǎn)生器主要為開關(guān)管提供-2.1V 的負偏置電壓。電平轉(zhuǎn)換模塊用于將 0/+2.5V信號移位到-21V/+2.5V。所有功能模塊均采用0.18μum SOI CMOS單芯片集成實現(xiàn)。

（二）超CMOS技術(shù)

手機設計中最耗電的兩個部分是基帶芯片CPU和射頻前端。功率放大器消耗了射頻前端的大部分輸出功率。實現(xiàn)低功耗的關(guān)鍵是讓射頻前端的其他電源電路消耗掉代謝功能損失，不損害PA的工作?，F(xiàn)階段常用的選型中，帶解碼器的GaAs電源開關(guān)吸收600μA交流電流，但在普通射頻前端應用中，UltaCMOS SP7T電源開關(guān)僅吸收10μA電流，因此，射頻前端可以大大減少。功能損失。進而提高微波射頻功率放大器的高效率，達到降低手機能耗的目的，UltaCMOS選用了SOl技術(shù)，在絕緣層的藍色寶石硅片上沉積了一層薄薄的硅，類似于CMOS。 UltraCMO 可以提供低功耗，良好的可制造性、準確性和可更新性，是一種實用的處理技術(shù)，適合IP塊的重復使用和更好的處理速度。與CMOS不同，UlraCMOS可以提供與廣泛應用于手機、微波射頻和微波加熱的GaAs或SiGe技術(shù)相當甚至更強的性能。盡管 UltraCMOS和 pHEMT GaAs 都可以提供相同水平的小數(shù)據(jù)信號性能并且具有非常網(wǎng)格圖案的導通電阻，但UltraCMOS 可以提供比Ga更好的性能。例如，在這種使用中，無線天線必須能夠覆蓋非常寬的頻率范圍，電源開關(guān)必須能夠管理多達8個通道，甚至是大量高功率射頻信號。同時，必須具有低插入損耗和高隔離度、線性度和低功耗。適當?shù)墓に嚰夹g(shù)可以提高技術(shù)選項的易用性，從而提高無線天線和射頻開關(guān)的性能，最終提高元器件的整體性能，更重要的是，如果技術(shù)工程師在所有設計方案中選擇相同的工藝技術(shù)，可以獲得更高的處理速度。

（三）包含頻帶選擇開關(guān)的多模多頻功放模組架構(gòu)

PAM包括一個bulk CMOSPA控制板芯片、一個GaAs-HIBTPA芯片和一個SOIDP5T電源開關(guān)芯片，Bulk CMOS PA控制板芯片為微波射頻功率放大器提供穩(wěn)定的偏置點和邏輯控制以及多種功率控制功能，為射頻開關(guān)提供頻段邏輯和脈沖信號信號，GaAs-HBT PA芯片將低功率的輸入調(diào)制信號放大，以較高功率的模式發(fā)送出去，適用于多模光纖雙頻3G/4G操作。SOIDP5T功率開關(guān)芯片將來自PA輸入輸出端的WCDMA和FDD-LTE信號轉(zhuǎn)換成合適的分頻器，然后根據(jù)無線天線功率開關(guān)模塊推出WCDMA和FDD-LTE信號，PA的衍生配對設計中使用的三個芯片和光電器件（電感器和電容器）被封裝在同一個兩層基板上。微波射頻功放包括 2 個寬帶功放控制模塊，分別工作在低頻和高頻頻段。兩個PA控制模塊都使用了一個由一個驅(qū)動級和一個功率級兩個組成的功率放大器。機器結(jié)構(gòu)。特別是為了更好地滿足不同頻段（Band III和 Band II/IV）的功能需求，高頻PA控制模塊選擇了可切換的雙通道PA升壓電源電路來解決Band I/III和第四樂隊。不同的擊鍵。三個RFIN 引腳之一（RFIN_B1/B2、RFIN B3/B4 和 RFIN BS/B8）和五個 RFOUT 引腳之一（RFOUT B1、RFOUT B2、RFOUT B3/B4、RFOUT B5 和 RFOUT B8）將打開不同的頻段。

六、結(jié)語

總的來說，為了更好地讓智能手機獲得進一步的發(fā)展，成為一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈，各種通信技術(shù)都必須應用到降低手機功耗的討論中，不斷改進充電電池的使用期限，隨著射頻收發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展，相關(guān)學者也將繼續(xù)發(fā)展技術(shù)，然后妥善應對智能手機作用的不斷增強和微波射頻功耗不斷加速等問題加以有效解決。