5G射頻前端以及架構(gòu)詳解

在前期分享的手機(jī)拆解文章中，我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在智能手機(jī)支持的頻段越來越多，包括我們常用的蜂窩通信頻段4G，5G甚至早期的2G，也包括常用的短距離無線通信頻段，WiFi，Bluetooth，NFC，UWB等，當(dāng)然還有必備的衛(wèi)星定位頻率，這樣就使得射頻前端的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，不僅需要更多的天線來支持所有頻段的信號(hào)首發(fā)，更是需要更復(fù)雜的射頻前端模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行分別處理。

當(dāng)然，近些年，射頻前端技術(shù)的發(fā)展，讓這些復(fù)雜的通信制式能夠集成在了小小的巴掌大小的手機(jī)上，也使得手機(jī)的通信性能不斷地提高。

蘋果12手機(jī)的電路圖，這是蘋果手機(jī)第一次支持5G通信，包括sub-6G以及5G mmwave，在這款手機(jī)上射頻前端模塊的數(shù)量相對(duì)于之前的蘋果手機(jī)增加了接近一倍，當(dāng)然，占用的PCB面積也增大了接近一倍，是當(dāng)時(shí)最復(fù)雜的手機(jī)射頻前端系統(tǒng)。

為什么FEM要如此復(fù)雜？

年紀(jì)大一點(diǎn)的同學(xué)，可能對(duì)早期的手機(jī)深有感觸，相同的手機(jī)支持的通信制式可能不一樣，有的只支持電信版的CDMA，有的僅僅支持移動(dòng)聯(lián)通的GSM，有可能移動(dòng)聯(lián)通的GSM也不一樣，因?yàn)楣ぷ黝l段不同。這樣有一個(gè)好處，就是射頻前端的設(shè)計(jì)就比較簡單，僅僅需要將手機(jī)信號(hào)發(fā)射或者接收進(jìn)來就可以，手機(jī)天線也比較簡單，就如同我們曾拆解的Nokia3230，一個(gè)手機(jī)天線就足夠覆蓋了。

如下圖所示，這款手機(jī)僅支持GSM900和GSM1800/1900. 注意這個(gè)頻段還是倍頻關(guān)系，對(duì)于天線共用帶來了比較大的便利性。

但是現(xiàn)在呢，下圖是iPhone15手機(jī)的蜂窩通信頻段，5G NR ?23個(gè)頻段，4G FDD-LTE 19個(gè)頻段，TD-LTE8個(gè)頻段，3G UMTS/HSPA+/DC-HSDPA 6個(gè)頻段，以及2G GSM 4個(gè)頻段。就單單移動(dòng)通信這塊就高達(dá) 60個(gè)頻段，當(dāng)然這些頻段里面有一些重合。

iPhone15支持的移動(dòng)通信頻段是諾基亞3230的20倍，如果采用同樣的射頻前端方案的話，那么PCB面積也要增加近20倍。試想一下，這樣的iPhone15還有人要嗎？

（下面尺寸增大20倍）

5G手機(jī)除了支持更多的射頻頻段，還有射頻通信的復(fù)雜度也在提高，比如在LTE中就引入的載波聚合技術(shù)，可以通過共用一些頻段來提高單個(gè)載波的帶寬，從而提高通信速率；又比如多輸入多輸出MIMO技術(shù)，則需要更多的射頻通路來實(shí)現(xiàn)更好的通信效率。這些新技術(shù)的引入無疑又增加了射頻設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

所以說，盡管我們作為消費(fèi)者都希望自己的手機(jī)能夠通用，功能越強(qiáng)大越好，但是這里面射頻工程師的工作量是巨大的，貢獻(xiàn)也是巨大的。

這些射頻工程師真是了不起，居然卷出了如此復(fù)雜的一個(gè)無線系統(tǒng)，而且都集成在了小小的巴掌大的手機(jī)上。

支持這么多的頻段，意味著就要有類似數(shù)量的射頻通道，雖然天線可以通過天線調(diào)諧器來使得更多的射頻頻段來復(fù)用同一個(gè)天線，從而減少天線的數(shù)量。但是射頻鏈路的復(fù)雜度依然非常巨大，并且手機(jī)所能夠提供的PCB面積也非常有限。

這就多虧了射頻集成電路RFIC的發(fā)展，RFIC技術(shù)能夠讓復(fù)雜的射頻鏈路集成在小小的芯片上。所以，RFIC技術(shù)才會(huì)成為“卡脖子”的技術(shù)難題。

射頻前端包括哪些部分？

對(duì)于射頻前端鏈路，一般情況下，我們把調(diào)制解調(diào)器作為基帶和射頻前端的分界線。對(duì)于發(fā)射鏈路，信號(hào)從調(diào)制解調(diào)器出來，然后進(jìn)入到射頻收發(fā)器，然后經(jīng)過放大器，雙工器，進(jìn)入天線，接受鏈路則相反，天線接收來的微弱信號(hào)經(jīng)過雙工濾波之后進(jìn)入LNA，然后進(jìn)入到射頻接收器，進(jìn)而在調(diào)制解調(diào)器中完成信號(hào)解調(diào)。

下圖是三星 Galaxy S21 的 5G 射頻前端的簡化示意圖，要注意下面的包括跟蹤，多模功放，以及高低頻FEMiD，天線調(diào)諧器等這些都是射頻前端所必需的模組。

更詳細(xì)的一份圖示來自于Skyworks 工程師的一份論文《RF Front End Module Architectures for 5G》，論文中給出了多個(gè)射頻前端的框圖以及實(shí)現(xiàn)方式。

下圖是4GLTE、5GNR的一個(gè)射頻前端框圖，包含了各種濾波器，放大器，天線調(diào)諧器等模塊。

下圖是常規(guī)架構(gòu)

下圖是4G、5G通信的MIMO實(shí)現(xiàn)

下圖是低頻射頻前端模組和高頻射頻前端模組的合成。

下圖是Doherty PA框圖

含有包絡(luò)跟蹤的電路架構(gòu)

而這么復(fù)雜的電路以及如此強(qiáng)大的功能都是靠射頻集成電路的發(fā)展而成為現(xiàn)實(shí)。

論文中還給出了MMBPA和SOI的照片。

總結(jié)

射頻前端的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了移動(dòng)通信的發(fā)展，現(xiàn)在上馬的5GA以及將來的6G，都會(huì)對(duì)射頻前端設(shè)計(jì)提出更進(jìn)一步的要求。

但是難不是最可怕的，最可怕的是“簡單”。因?yàn)榻鉀Q無線通信中的難題，就是我們射頻工程師最大的價(jià)值所在。

參考閱讀：