RF前端的几种不同实现

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射频前端 (RFEE) 进入芯片以及为什么？

在最近的无线电技术中，至少就手机而言，手机中PCB（印刷电路板）的面积并不像下面红色突出显示的那样宽。即使在有限的面积内，可为射频前端分配的空间也仅占 PCB 的一小部分。将所有分立射频元件放置在该区域是非常困难的（几乎不可能）。

【图1】

你可能会说，最近我们看到手机的尺寸有变得越来越大的趋势。我们将为射频元件提供更大的空间”。然而，这只是一方面。当我们在一方面看到更大的设备时，由于更高的能耗要求，我们看到更大的电池尺寸，并且对手机支持更多频段（不同频率）和多模式（GSM、WCDMA、LTE 全部在单个手机中）的要求更高。因此，射频前端的空间仍然紧张。

即使假设您有足够的空间以分立方式放置所有这些组件，您也需要投入大量时间和精力来调整和匹配每个分立组件。（当然，这种实施方式将为射频工程师创造最好的就业市场

最好的解决方案之一是将所有这些组件放入一个或几个小封装中，并像 IC（集成电路）一样使用它们。几乎所有蜂窝设备都使用这种集成射频IC（模块），而不是使用分立器件。

RF前端的几种不同实现

一旦所有（或大部分）射频组件进入芯片（或封装），将射频集成到设备（例如移动电话）中就像数字嵌入式系统而不是射频/模拟系统。承认这可能过于简单化，现代手机的无线电堆栈硬件结构可以如下所示。正如您在此处看到的，尽管大多数分立射频组件都是模拟设备，但前端芯片组（或封装）变得像数字芯片组。它提供与微控制器芯片组（本例中为基带芯片）通信的各种控制和数据线。

上图所示是射频前端最大集成度的情况，其中所有射频组件（例如 PA、LNA、滤波器）和上/下转换器都集成在单个芯片中。对于必须设计和实现电路板的硬件工程师来说，这可能是最佳解决方案。然而，在某些情况下，我们将射频前端实现为两个芯片，如下图所示。在这种类型中，纯射频组件（放大器、开关/双工器/双工器）集成在与上/下转换器芯片组不同的芯片组中。与以前的架构相比，这种类型的架构会增加一点复杂性，但是这种类型的架构是有动机的。一家公司很难在每个领域都做到最好。可能有一家公司更专注于上/下转换器和 DAC/ADC 部件，而另一家公司更适合纯 RF 模块。通过采用这种架构，我们可以更好地优化硬件性能。或者在某些情况下，如果您善于与两个不同的组件供应商讨价还价，那么这种架构也可以节省硬件成本。

【图2】

通过将上述逻辑进一步扩展，我们可以考虑在单独的芯片组中使用 Tx RF 模块（PA 模块）和 Rx RF 模块（LAN），如下所示。

【图3】

复杂性爆炸？

现代移动电话的功能在无线电堆栈方面已经变得极其复杂。

• 多模式：单个 UE 支持多种无线电技术，如 GSM/GPRS、UMTS（WCDMA、TDSCDMA）、LTE 和 5G/NR（不久的将来）

• 更多（更高）MIMO：2x2、4x4 甚至 8x2 下行链路 MIMO，以及 5G/NR 中可能更多的 MIMO。

• 更多CA（载波聚合）：LTE 中的2CC、3CC、4CC、5CC CA 和5G/NR 规范中的16 CC CA。

• 更多频段：WCDMA 中约有 10 个不同频段，LTE 中有数十个/数量不断增加的频段，以及GSM/GPRS 中的其他频段。

无线电堆栈的复杂性如何影响射频前端结构的复杂性？说到复杂性，我们可能会想到上/下转换器和ADC以及纯RF部分（PA、LNA、滤波器开关）的复杂性。尽管无线电堆栈的复杂性会导致两个部分的复杂性，但对纯射频部分的影响会更大。因此，让我们考虑一下对纯射频部分复杂性的影响。

首先，让我们考虑添加更多 MIMO/分集功能的情况，并猜测 RF 部分如何变得复杂。您可以直观地想到如下所示的进展。

现在考虑一下我们添加更多无线电技术或频段的情况，看看这对射频部分复杂性有何影响。这一进展可以如下说明。

现在你的脑海里会浮现一个问题？如果我们同时添加更多 MIMO 和更多频段会怎样？你可以很容易地猜到，我已经用完了纸来绘制多个案例进行比较 -，所以我只展示一个案例，如下所示。

总结上述所有内容，我们可以根据射频前端的复杂性以及导致复杂性的因素得出如下所示的简单/说明性结论。

那么你的脑海中又会浮现出另一个问题吗？这种复杂性是否会达到最高点并且我们无法添加更多功能？

如果您只是考虑将组件按上图所示的线性方式放置，您可能会达到无法在小型前端芯片组中添加更多部件的地步。然而，我们总是看到如此伟大的头脑克服了工程领域的几乎所有障碍。它也适用于这个领域。射频前端制造商在优化和简化前端设计方面付出了很多努力，甚至增加了功能。下面显示了一个示例。将 PA、开关和滤波器集成到覆盖低 (a)、中 (b) 和高 (c) 频段的三个前端模块中的示例。考虑到它支持的频段数量，您会发现它比您想象的要简单。

有什么想法可以防止复杂性爆炸吗？

如上所述，随着我们将更多功能放入前端模块，我们付出了很多努力来降低复杂性。有什么样的想法来实现这个目标？已知的几个想法如下。其中一些已经投入使用，一些正处于调查阶段。

• 天线可调谐匹配电路：通过使用可调谐匹配电路，我们可以减少天线和开关的数量。

• 多模式放大器和放大器共享：通过使用那些可以支持多模式（即多种无线电技术，如 GSM、WCDMA、LTE）的放大器并通过共享多个频段/模式的放大器，我们可以降低前端的复杂性结尾。

• 可调谐滤波器：关于可调谐滤波器已有多种想法，但尚未满足 SAW/BAW/FBAR 滤波器的性能标准。

• 先进封装：随着每个射频元件技术的发展，每个分立元件的尺寸往往变得越来越小，但随着我们在芯片中放置越来越多的器件，我们需要更多的空间将它们连接在一起。因此，布线/接合空间正成为一个问题。