微波毫米波射頻芯片及技術(shù)應(yīng)用 | 晟鵬技術(shù)二維氮化硼絕緣透波散熱膜

傳統(tǒng)來說，一部可支持打電話、發(fā)短信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、APP應(yīng)用的手機，一般包含五個部分部分：射頻部分、基帶部分、電源管理、外設(shè)、軟件。

·射頻部分：一般是信息發(fā)送和接收的部分；

·基帶部分：一般是信息處理的部分；

· 電源管理：一般是節(jié)電的部分，由于手機是能源有限的設(shè)備，所以電源管理十分重要；

· 外設(shè)：一般包括LCD、鍵盤、機殼等；

· 軟件：一般包括系統(tǒng)、驅(qū)動、中間件、應(yīng)用。

在手機終端中，最重要的核心就是射頻芯片和基帶芯片。射頻芯片負責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大；基帶芯片負責(zé)信號處理和協(xié)議處理。那么射頻芯片和基帶芯片是什么關(guān)系？

射頻芯片和基帶芯片的關(guān)系

先講一下歷史，射頻（Radio Frenquency）和基帶（Base Band）皆來自英文直譯。其中射頻最早的應(yīng)用就是Radio —— 無線廣播（FM/AM），迄今為止這仍是射頻技術(shù)乃至無線電領(lǐng)域最經(jīng)典的應(yīng)用。

基帶則是band中心點在0Hz的信號，所以基帶就是最基礎(chǔ)的信號。有人也把基帶叫做“未調(diào)制信號”，曾經(jīng)這個概念是對的，例如AM為調(diào)制信號（無需調(diào)制，接收后即可通過發(fā)聲元器件讀取內(nèi)容）。

但對于現(xiàn)代通信領(lǐng)域而言，基帶信號通常都是指經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的，頻譜中心點在0Hz的信號。而且沒有明確的概念表明基帶必須是模擬或者數(shù)字的，這完全看具體的實現(xiàn)機制。

言歸正傳，基帶芯片可以認為是包括調(diào)制解調(diào)器，但不止于調(diào)制解調(diào)器，還包括信道編解碼、信源編解碼，以及一些信令處理。而射頻芯片，則可看做是最簡單的基帶調(diào)制信號的上變頻和下變頻。

所謂調(diào)制，就是把需要傳輸?shù)男盘?，通過一定的規(guī)則調(diào)制到載波上面讓后通過無線收發(fā)器（RF Transceiver）發(fā)送出去的工程，解調(diào)就是相反的過程。

工作原理與電路分析

射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，是一種高頻交流變化電磁波，為是Radio Frequency的縮寫，表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍在300KHz～300GHz之間。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。高頻（大于10K）；射頻（300K-300G）是高頻的較高頻段；微波頻段（300M-300G）又是射頻的較高頻段。射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域中被廣泛使用，有線電視系統(tǒng)就是采用射頻傳輸方式。

射頻芯片指的就是將無線電信號通信轉(zhuǎn)換成一定的無線電信號波形，并通過天線諧振發(fā)送出去的一個電子元器件，它包括功率放大器、低噪聲放大器和天線開關(guān)。射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。

射頻電路方框圖

接收電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號經(jīng)濾波，高頻放大后，送入中頻內(nèi)進行解調(diào)，得到接收基帶信息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N）；送到邏輯音頻電路進一步處理。

該電路掌握重點：1、接收電路結(jié)構(gòu)；2、各元件的功能與作用；3、接收信號流程。

1. 電路結(jié)構(gòu)

接收電路由天線、天線開關(guān)、濾波器、高放管（低噪聲放大器）、中頻集成塊（接收解調(diào)器）等電路組成。早期手機有一級、二級混頻電路，其目的把接收頻率降低后再解調(diào)（如下圖）。

接收電路方框圖

2. 各元件的功能與作用

1)、手機天線：

結(jié)構(gòu)（如下圖）：由手機天線分外置和內(nèi)置天線兩種;由天線座、螺線管、塑料封套組成。

作用：a. 接收時把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號。b. 發(fā)射時把功放放大后的交流電流轉(zhuǎn)化為電磁波信號。

2)、天線開關(guān)：

結(jié)構(gòu)（如下圖）：手機天線開關(guān)（合路器、雙工濾波器）由四個電子開關(guān)構(gòu)成。

作用：a. 完成接收和發(fā)射切換；b. 完成900M/1800M信號接收切換。

邏輯電路根據(jù)手機工作狀態(tài)分別送出控制信號（GSM-RX-EN、DCS- RX-EN、GSM-TX-EN、DCS-TX-EN），令各自通路導(dǎo)通，使接收和發(fā)射信號各走其道，互不干擾。

由于手機工作時接收和發(fā)射不能同時在一個時隙工作（即接收時不發(fā)射，發(fā)射時不接收）。因此后期新型手機把接收通路的兩開關(guān)去掉，只留兩個發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān)；接收切換任務(wù)交由高放管完成。

3)、濾波器：

結(jié)構(gòu)：手機中有高頻濾波器、中頻濾波器。

作用：濾除其他無用信號，得到純正接收信號。后期新型手機都為零中頻手機，因此手機中再沒有中頻濾波器。

4)、高放管（高頻放大管、低噪聲放大器）：

結(jié)構(gòu)：手機中高放管有兩個：900M高放管、1800M高放管。都是三極管共發(fā)射極放大電路，后期新型手機把高放管集成在中頻內(nèi)部。

高頻放大管供電圖

作用：a. 對天線感應(yīng)到微弱電流進行放大，滿足后級電路對信號幅度的需求。b. 完成900M/1800M接收信號切換。

原理：a. 供電：900M/1800M兩個高放管的基極偏壓共用一路，由中頻同時路提供；而兩管的集電極的偏壓由中頻CPU根據(jù)手機的接收狀態(tài)命令中頻分兩路送出，其目的完成900M/1800M接收信號切換。b. 原理：經(jīng)過濾波器濾除其他雜波得到純正935M-960M的接收信號由電容器耦合后送入相應(yīng)的高放管放大后經(jīng)電容器耦合送入中頻進行后一級處理。

5)、中頻（射頻接囗、射頻信號處理器）：

結(jié)構(gòu)：由接收解調(diào)器、發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器等電路組成;新型手機還把高放管、頻率合成、26M振蕩及分頻電路也集成在內(nèi)部（如下圖）。

作用：

a. 內(nèi)部高放管把天線感應(yīng)到微弱電流進行放大；

b. 接收時把935M-960M（GSM）的接收載頻信號（帶對方信息）與本振信號（不帶信息）進行解調(diào)，得到67.707KHZ的接收基帶信息；

c. 發(fā)射時把邏輯電路處理過的發(fā)射信息與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻；

d. 結(jié)合13M/26M晶體產(chǎn)生13M時鐘（參考時鐘電路）；

e. 根據(jù)CPU送來參考信號，產(chǎn)生符合手機工作信道的本振信號。

3. 接收信號流程

手機接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號，經(jīng)過天線開關(guān)接收通路，送高頻濾波器濾除其它無用雜波，得到純正935M-960M（GSM）的接收信號，由電容器耦合送入中頻內(nèi)部相應(yīng)的高放管放大后，送入解調(diào)器與本振信號（不帶信息）進行解調(diào)，得到67.707KHZ的接收基帶信息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N）；送到邏輯音頻電路進一步處理。

發(fā)射電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

發(fā)射時，把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息調(diào)制成的發(fā)射中頻，用TX-VCO把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)?90M-915M（GSM）的頻率信號。經(jīng)功放放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

該電路掌握重點：1、電路結(jié)構(gòu)；2、各元件的功能與作用；3、發(fā)射信號流程。

1. 電路結(jié)構(gòu)

發(fā)射電路由中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器；發(fā)射壓控振蕩器（TX-VCO）、功率放大器（功放）、功率控制器（功控）、發(fā)射互感器等電路組成。（如下圖）

發(fā)射電路方框圖

2. 各元件的功能與作用

1)、發(fā)射調(diào)制器：

結(jié)構(gòu)：發(fā)射調(diào)制器在中頻內(nèi)部，相當(dāng)于寬帶網(wǎng)絡(luò)中的MOD。

作用：發(fā)射時把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息（TXI-P、TXI-N、TXQ-P、TXQ-N）與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻。

2)、發(fā)射壓控振蕩器（TX-VCO）：

結(jié)構(gòu)：發(fā)射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點式振蕩電路；在生產(chǎn)制造時集成為一小電路板上，引出五個腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M頻段切換腳。當(dāng)有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應(yīng)頻率信號。

作用：把中頻內(nèi)調(diào)制器調(diào)制成的發(fā)射中頻信號轉(zhuǎn)為基站能接收的890M-915M（GSM）的頻率信號。

原理：眾所周知，基站只能接收890M-915M（GSM）的頻率信號，而中頻調(diào)制器調(diào)制的中頻信號（如三星發(fā)射中頻信號135M）基站不能接收的，因此，要用TX-VCO把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)?90M-915M（GSM）的頻率信號。

當(dāng)發(fā)射時，電源部分送出3VTX電壓使TX-VCO工作，產(chǎn)生890M-915M（GSM）的頻率信號分兩路走：

a. 取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進行較；若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機的工作信道，則鑒相器會產(chǎn)生1-4V跳變電壓（帶有交流發(fā)射信息的直流電壓）去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)?a target="_blank">二極管的電容量，達到調(diào)整頻率準(zhǔn)確性目的。b. 送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

從上看出：由TX-VCO產(chǎn)生頻率到取樣送回中頻內(nèi)部，再產(chǎn)生電壓去控制TX-VCO工作；剛好形成一個閉合環(huán)路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱發(fā)射鎖相環(huán)電路。

3)、功率放大器（功放）：

結(jié)構(gòu)：目前手機的功放為雙頻功放（900M功放和1800M功放集成一體），分黑膠功放和鐵殼功放兩種，不同型號功放不能互換。

作用：把TX-VCO振蕩出頻率信號放大，獲得足夠功率電流，經(jīng)天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。

值得注意：功放放大的是發(fā)射頻率信號的幅值，不能放大他的頻率。

功率放大器的工作條件：

a. 工作電壓（VCC）：手機功放供電由電池直接提供（3.6V）；

b. 接地端（GND）：使電流形成回路；

c. 雙頻功換信號（BANDSEL）：控制功放工作于900M或工作于1800M；

d. 功率控制信號（PAC）：控制功放的放大量（工作電流）；

e. 輸入信號（IN），輸出信號（OUT）。

4)、發(fā)射互感器：

結(jié)構(gòu)：兩個線徑和匝數(shù)相等的線圈相互靠近，利用互感原理組成。

作用：把功放發(fā)射功率電流取樣送入功控。

原理：當(dāng)發(fā)射時功放發(fā)射功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生與功率電流同樣大小的電流，經(jīng)檢波（高頻整流）后并送入功控。

5)、功率等級信號：

所謂功率等級就是工程師們在手機編程時把接收信號分為八個等級，每個接收等級對應(yīng)一級發(fā)射功率（如下表），手機在工作時，CPU根據(jù)接的信號強度來判斷手機與基站距離遠近，送出適當(dāng)?shù)陌l(fā)射等級信號，從而來決定功放的放大量（即接收強時，發(fā)射就弱）。

附功率等級表：

6)、功率控制器（功控）：

結(jié)構(gòu)：為一個運算比較放大器。

作用：把發(fā)射功率電流取樣信號和功率等級信號進行比較，得到一個合適電壓信號去控制功放的放大量。

原理：當(dāng)發(fā)射時功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生的電流，經(jīng)檢波（高頻整流）后并送入功控；同時編程時預(yù)設(shè)功率等級信號也送入功控，兩個信號在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命（功控電壓高，功放功率就大）。

3. 發(fā)射信號流程

當(dāng)發(fā)射時，邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息（TXI-P、TXI-N、TXQ-P、TXQ-N），送入中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器，與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻。而中頻信號基站不能接收的，要用TX-VCO把發(fā)射中頻信號頻率上升為890M-915M（GSM）的頻率信號基站才能接收。當(dāng)TX-VCO工作后，產(chǎn)生890M-915M（GSM）的頻率信號分兩路走：

a. 一路取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進行較；若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機的工作信道，則鑒相器會產(chǎn)生一個1-4V跳變電壓去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量，達到調(diào)整頻率目的。

b. 二路送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當(dāng)發(fā)射時功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生的電流，經(jīng)檢波（高頻整流）后并送入功控；同時編程時預(yù)設(shè)功率等級信號也送入功控，兩個信號在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命。

國產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

在射頻芯片領(lǐng)域，市場主要被海外巨頭所壟斷，海外的主要公司有Qrovo、skyworks和Broadcom；國內(nèi)射頻芯片方面，沒有公司能夠獨立支撐IDM的運營模式，主要為Fabless設(shè)計類公司；國內(nèi)企業(yè)通過設(shè)計、代工、封裝環(huán)節(jié)的協(xié)同，形成了“軟IDM”的運營模式。

射頻芯片設(shè)計方面，國內(nèi)公司在5G芯片已經(jīng)有所成績，具有一定的出貨能力。射頻芯片設(shè)計具有較高的門檻，具備射頻開發(fā)經(jīng)驗后，可以加速后續(xù)高級品類射頻芯片的開發(fā)。

射頻芯片代工方面，臺灣已經(jīng)成為全球最大的化合物半導(dǎo)體芯片代工廠，臺灣主要的代工廠有穩(wěn)懋、宏捷科和寰宇，國內(nèi)僅有三安光電和海威華芯開始涉足化合物半導(dǎo)體代工。三安光電是國內(nèi)目前國內(nèi)布局最為完善，具有GaAs HBT/pHEMT和 GaNSBD/FET 工藝布局，目前在于國內(nèi)200多家企事業(yè)單位進行合作，有10多種芯片通過性能驗證，即將量產(chǎn)。海威華芯為海特高新控股的子公司，與中國電科29所合資，目前具有GaAs 0.25um PHEMT工藝制程能力。

射頻芯片封裝方面，5G射頻芯片一方面頻率升高導(dǎo)致電路中連接線的對電路性能影響更大，封裝時需要減小信號連接線的長度；另一方面需要把功率放大器、低噪聲放大器、開關(guān)和濾波器封裝成為一個模塊，一方面減小體積另一方面方便下游終端廠商使用。為了減小射頻參數(shù)的寄生需要采用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封裝技術(shù)。

Flip-Chip和Fan-In、Fan-Out工藝封裝時，不需要通過金絲鍵合線進行信號連接，減少了由于金絲鍵合線帶來的寄生電效應(yīng)，提高芯片射頻性能；到5G時代，高性能的Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out結(jié)合Sip封裝技術(shù)會是未來封裝的趨勢。

芯片的小型化和高度集成化，會導(dǎo)致局部熱流密度大幅上升。算力的提升、速度的提高帶來巨大的功耗和發(fā)熱量。制約高算力芯片發(fā)展的主要因素之一就是散熱能力。

芯片制造商比以往任何時候都更關(guān)注導(dǎo)熱材料和其他能夠帶走多余熱量的技術(shù)。芯片散熱需要做到“內(nèi)外兼修”，在降低能耗的同時，還需保障組件的穩(wěn)定性和壽命。90%以上的熱量通過封裝從芯片的頂部散發(fā)到散熱器。熱量實際上要經(jīng)過硅晶片-內(nèi)部導(dǎo)熱材料-CPU金屬蓋-外部導(dǎo)熱材料的幾重傳導(dǎo)，才能傳遞到散熱器上。在芯片和封裝之間，具有高導(dǎo)熱性的熱界面材料（TIM）可以幫助傳遞熱量。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對計算機和移動設(shè)備的需求也在不斷增加，現(xiàn)在的芯片的設(shè)計都是追求高性能的。人們需要在更快的速度下完成更復(fù)雜的任務(wù)，這就需要芯片能夠提供更多的運行能力。而這種高性能的設(shè)計卻是要以付出更高的代價，例如消耗更多的電力，引起更多的熱量的產(chǎn)生。