谈智能射频技术降低手机能耗*

张 艳

（宜宾职业技术学院）

对于手机来说，射频设备是手机无线网络连接发展的关键，近年来，随着5G智能手机的不断推广，规定手机的终端设备可以同时解决不同的无线通信系统，在通信系统层面的工作中，手机的射频器件是链路的关键。由于手机市场的需求，不断推动着我国手机射频前端市场的不断发展，而这对实践活动伴随着技术的飞速发展和5G时代，因此，射频前端的效率和使用价值极高，它可能会超过主芯片。

一、降低功率放大器功耗的重要性

对于手机来说，微波射频模块是电池管理的重中之重，功放电路（PA）的主要功能体现在它能够根据功放电路将基带芯片信号部署到射频信号上，在手机应用中，因为放大器从DC/DC或VBAT取电的整个过程中会不断消耗手机的电量，因此，降低放大器的功耗是问题的根源。PA降低能耗的基本途径如下：一是提高DC/DC应用的高效率，降低能耗；第二，使用智能手机中存储的微波射频功率放大电路集成ic，因此，考虑放大器和电流消耗元件的影响以及应用高效率DC/DC是设计的重中之重。此外，部分地区信号不佳以及手机本身可能存在的不足都会导致手机输出功耗的增加，因此，设计人员必须找到有效的方法来管理开关电源，以继续增加其使用时间[1]。

二、目前手机射频前端的发展状况

（一）手机射频前端介绍

手机射频前端主要包括射频前端、天线及其发射芯片。手机中的功能主要用于接收、发射和解决高频电磁波。天线的实际作用是在工作时对磁感应信号和射频前端的信号进行变换。射频芯片将基带芯片信号和微波射频信号相互转换。RF前端的作用是解决Aries和发射信号的问题。就目前的技术进步状况而言，基带芯片比手机上的射频芯片集成度更高，集成在主芯片内部。设计天线时，几乎是同时进行的。由于原材料的原因，射频前端很难与芯片集成。融合在一起。以往手机上微波射频的发展趋势目前有多种。因此，专业技术人员会根据手机射频前端功能的不同进行分类。射频前端主要包括滤波器、天线功率开关和LNA（低噪声放大器）、PA（Power Amplifier，功放电路）、双工器等组成[2]。

（二）手机射频前端市场的发展状况

随着我国通信技术的飞速发展，新特性、新款式、新频段的加入越来越多，手机射频前端的进步也越来越关键，根据全球手机微波射频市场调查报告显示，现阶段全球手机射频前端市场规模已达120亿美元，经相关市场数据分析师分析，预计2020年后，市场配额极有可能解决200亿美元。2013年以来，手机市场的范围不断扩大，扩张效率极为快速，尽管近年来速度有所下降，但从平均水平来看，维持在15%左右。现阶段，全球大部分手机市场都处于饱和状态，未来很难保持同样的好转，不过，随着5G技术的不断完善，必然会扩大手机设备市场的业务规模。

（三）手机射频前端技术的发展趋势

通过技术科研人员的不断努力，移动射频前端技术要发展壮大，那么工作中的专业技术人员就需要着眼于提高技术定位、处理速度，未来手机射频前端的发展具有关键作用。在未来手机市场的发展趋势中，手机射频前端要求的总数会大大增加，手机的体积尺寸也不容易发生很大的变化，但由于在不断改进手机的功能和质量，手机厂商在同体积、同性质的情况下，配备了大量的手机手机射频前端。手机射频前端还有一个极为良好的未来发展优势，就是手机射频前端在高频范围的不断开发和设计，这也是由于现阶段手机射频前端的原材料技术难以提升。因此，工作中的专业技术人员只能在射频前端的高频设计上下功夫。

三、射频开关类别

（一）天线开关

在蜂窝式天线中，通常放置一个高投多模光纤多频开关，以选择已经转换为手机中信息内容的微波射频无线信号从天线中推，无线天线和接收到的微波射频无线信号称为显性无线天线开关模块（Antenna Switch Module，ASM）[3]。ASM 的主要特点是它包括一个带有无线天线的微波射频端口号，因为它集成了GSM推送信道和许多3G/4G收发信道，所以通常规格更大，最多样化，ASM的输出功率体积也是最强的，因为必须有35dBmGSMTx的输出功率量，加上环境因素造成的无线天线失配，它的PlaB应该接近40dBm（10wW）。低插入损耗（II）是主无线天线开关的关键指标值，减少接收端口数会减少后续LNA的负OR，从而提高信号接收器的灵敏度，此外，GSMTx 和 Rx 端口号之间的隔离度必须足够大，以防止大功率 Tx 信号泄漏到 Rx 路径中，这可能会对信号接收器造成损坏。为了更好地消除这种影响，无线主天线开关应该能够在无线天线失配的情况下保持良好的谐波电流特性，尤其需要在GSMTx路径中具有出色的谐波电流抑制规定（<-30 dBm）。例如，阻塞 GSM 低频段 (LB) 信号 (850/900 MHz) 会影响 GSM高频段 (HB) 信号 (1800/1900 MHz)。 GSM Tx谐波电流抑制调节通常可以通过在两个GSM LB和HB Tx端口号上分别集成两个带通滤波器（LPF）来完成。表面声波 (SAW) 滤波器可以提供几乎极端的频率选择，并且通常在此阶段的 GSMRx 端找到。在GaAs 或 SiO2 衬底上制造的集成无源器件 (IPD) 滤波器可以带来出色的谐波电流抑制规定和高功率容量，这在 GSMTx 端口号中很常见。与SAW滤波器类似，BAW滤波器可以提供相同的滤波特性，同时具有更强的可靠性，正在慢慢获得普遍认可。

（二）频带选择开关

频段选择开关适用于将多模光纤双频宽带网络PA模块上的3G/4G部署信号的输入输出端转换为单独的频段，此时，称为后置PA（Post-PA）[4]频段。选择一个开关。选择带有频段选择开关的宽带功放机框，可以很好地减少开发的多样化，降低成本和功能损耗。随着越来越多的频段和方法在射频前端的应用，多模光纤多频功率放大器电路模块（MMMB PAM）[5]的应用取代了许多仅为特殊设计而设计的冗余多模功率放大器，信号工作频率已成为发展趋势，与无线天线开关相比，选频开关无论是投掷次数还是输出功率音量都比较小，这也是因为它是使用3G/4G MMMB PAM的关键。这种开关的要求是开关必须解析射频信号脉冲信号。外部PA（Pre-PA）频段选择开关置于PA输入端口号之前，必须处理的射频信号功率低（一般为0dBm以下）；后PA频段选择开关连接PA的输出端口号，必须处理的射频信号通过PA增大后，最大输出功率通常可以达到27-30dBm，但仍远低于GSM模式下信号的最高输出功率。

（三）非蜂窝系统中的收发开关

在非蜂窝无线网络连接层面，交换机具有非常核心的功能，用于信号转换，将不同的无线网络信号连接到无线天线，智能手机中的WiFi连接、移动蓝牙通信、RFID和无线电广播录音机/移动电视的功能必须通过额外的开关组件来辅助。这类开关属于低掷数和低输出功率的开关，通常规格较小，工作电压较低，用于WiFi/手机蓝牙的低投开关属于低输出功率开关，最大P1dB在30dBm左右，对于2.4GHLz频段的应用，一般使用SPDT或SP3T开关设备，实际是否包含手机蓝牙信号功能。5GHz频段一般采用配备SPDT的开关，FM收音机是目前覆盖范围最广的无线网络连接技术之一，如今，它已经从一个接收功能发展成为一个包含无线电广播推送功能的机器，通常SPDT开关可用于在推送和接收功能之间切换，此外，SP3T或SP4T开关的设计可满足移动电视应用的要求。

四、射频开关设计原理

（一）串联结构与串-并联结构

插入损耗和隔离的关键由开关闭合和闭合时的关断电阻Rn和关断电容Co决定，因为Ro与FET的总宽度W成反比，而Cof与FET的总宽度W正相关，给定栅极长度L，当元件的总宽度W增大时，关断电阻Ra会减小，插入损耗也会减小。随着减小，此时关断电容Co会膨胀，导致漏电增加，隔离度降低；反之，当元件总宽度W减小时，关断电容Cor减小，开关隔离度增大，此时关断电阻R增大，这促进了插入损耗的百分比增加。显然，一个只包含串联结构的微波射频开关，必须具备最合适的插入损耗和隔离特性才能完成，在很多应用中，这种结构不能同时满足系统插入损耗和隔离的要求。因此，串并联配置开关在每个臂上并联一个接地的场效应管，同时选择并联场效应管的工作电压，即串联场效应管电位差的反向电压。当串联回路的开关管处于闭合状态（相当于关断电阻）时，并联回路的开关管处于断开状态（相当于关断电容）。这种结构可以显著提高开关的隔离度，同时对插入损耗的危害很小。

（二）栅电阻与漏-源电阻

用于连接FET栅极电压的电阻Rg称为栅极偏置电阻，其值一般为kOhm，它的作用关键有二：一方面是用来保护射频信号和直流信号，避免射频信号，直流偏置电源电路造成影响；另一方面是避免射频信号波形的丢失，减少微波射频损耗。一般来说，寄存器的电压值越大，射频信号保护的实际效果越好，添加到截止管的信号会更均匀地分布在栅源和栅漏之间。然而，过大的栅极电阻会损害开关的开关速率，栅极电阻和栅极电容等效电路的稳态值决定了微波射频开关的转换率，当栅极电阻膨胀时，开关速率会变慢。因此，栅极电阻的选择必须是最合适的考虑。另外，放置在场效应管漏源极的电阻Rps称为“漏源归一化电阻”，其值一般在10～20kOhm之间，以稳定漏源两侧的直流电源电位，避免了整个转换过程中开关源漏电造成地显著直流压降，稳定直流偏置，合理避免信号波形丢帧，提高线性度。特别是选择重叠方式时，漏源电阻可以减少电子管重叠链上工作电压摆幅的不相交分布，有利于提高线性度。

五、射频开关在智能手机中的应用

（一）高集成度的含 GSM滤波器 SOI SP14T MIPI天线开关模组设计

观察智能手机的射频前端电源电路，可以发现在很小的物理体积内对多种无线信号的操作和兼容性的多样性，这种多样性对智能手机中的微波射频开关设计，尤其是对主无线天线开关模块（ASM）[6]的设计提出了极大的考验，ASM必须在相对有限的总物理面积中集成超过14条并行处理路径，同时在较宽的工作频率范围内提供低插入损耗 (Ⅱ)和出色的线性度。完成ASM设计的关键是由规范规定的，MIPIRFFE数字控制逻辑应用，正工作电压发生器包括带隙和LDO电源电路，负工作电压发生器包括电荷泵电源电路、脉冲信号转换和SP14TRF核心电源电路。MIPIsocket的作用是输入串行通讯指令，驱动逻辑控制回路完成十四个信号通道的通断，工作电压发生器专为其他电源电路和开关管提供稳定的2.5V工作电压。负电压产生器主要为开关管提供-2.1V 的负偏置电压。电平转换模块用于将 0/+2.5V信号移位到-21V/+2.5V。所有功能模块均采用0.18μum SOI CMOS单芯片集成实现。

（二）超CMOS技术

手机设计中最耗电的两个部分是基带芯片CPU和射频前端。功率放大器消耗了射频前端的大部分输出功率。实现低功耗的关键是让射频前端的其他电源电路消耗掉代谢功能损失，不损害PA的工作。现阶段常用的选型中，带解码器的GaAs电源开关吸收600μA交流电流，但在普通射频前端应用中，UltaCMOS SP7T电源开关仅吸收10μA电流，因此，射频前端可以大大减少。功能损失。进而提高微波射频功率放大器的高效率，达到降低手机能耗的目的，UltaCMOS选用了SOl技术，在绝缘层的蓝色宝石硅片上沉积了一层薄薄的硅，类似于CMOS。 UltraCMO 可以提供低功耗，良好的可制造性、准确性和可更新性，是一种实用的处理技术，适合IP块的重复使用和更好的处理速度。与CMOS不同，UlraCMOS可以提供与广泛应用于手机、微波射频和微波加热的GaAs或SiGe技术相当甚至更强的性能。尽管 UltraCMOS和 pHEMT GaAs 都可以提供相同水平的小数据信号性能并且具有非常网格图案的导通电阻，但UltraCMOS 可以提供比Ga更好的性能。例如，在这种使用中，无线天线必须能够覆盖非常宽的频率范围，电源开关必须能够管理多达8个通道，甚至是大量高功率射频信号。同时，必须具有低插入损耗和高隔离度、线性度和低功耗。适当的工艺技术可以提高技术选项的易用性，从而提高无线天线和射频开关的性能，最终提高元器件的整体性能，更重要的是，如果技术工程师在所有设计方案中选择相同的工艺技术，可以获得更高的处理速度。

（三）包含频带选择开关的多模多频功放模组架构

PAM包括一个bulk CMOSPA控制板芯片、一个GaAs-HIBTPA芯片和一个SOIDP5T电源开关芯片，Bulk CMOS PA控制板芯片为微波射频功率放大器提供稳定的偏置点和逻辑控制以及多种功率控制功能，为射频开关提供频段逻辑和脉冲信号信号，GaAs-HBT PA芯片将低功率的输入调制信号放大，以较高功率的模式发送出去，适用于多模光纤双频3G/4G操作。SOIDP5T功率开关芯片将来自PA输入输出端的WCDMA和FDD-LTE信号转换成合适的分频器，然后根据无线天线功率开关模块推出WCDMA和FDD-LTE信号，PA的衍生配对设计中使用的三个芯片和光电器件（电感器和电容器）被封装在同一个两层基板上。微波射频功放包括 2 个宽带功放控制模块，分别工作在低频和高频频段。两个PA控制模块都使用了一个由一个驱动级和一个功率级两个组成的功率放大器。机器结构。特别是为了更好地满足不同频段（Band III和 Band II/IV）的功能需求，高频PA控制模块选择了可切换的双通道PA升压电源电路来解决Band I/III和第四乐队。不同的击键。三个RFIN 引脚之一（RFIN_B1/B2、RFIN B3/B4 和 RFIN BS/B8）和五个 RFOUT 引脚之一（RFOUT B1、RFOUT B2、RFOUT B3/B4、RFOUT B5 和 RFOUT B8）将打开不同的频段。

六、结语

总的来说，为了更好地让智能手机获得进一步的发展，成为一个完整的产业链，各种通信技术都必须应用到降低手机功耗的讨论中，不断改进充电电池的使用期限，随着射频收发系统的发展，相关学者也将继续发展技术，然后妥善应对智能手机作用的不断增强和微波射频功耗不断加速等问题加以有效解决。