射頻前端是什么？射頻元器件介紹

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射頻前端與無線通信

無線通信中，聲音、視頻等信息需要利用電磁波在空氣或其他介質(zhì)中的傳播特性，以射頻信號的形式進(jìn)行傳播。 射頻信號是在300MHz-3000GHz的電磁波 ，用于無線通信時(shí)有如下優(yōu)點(diǎn) ：

• 電磁波本身可在自由空間中傳播，利用天線發(fā)送接收信號，不依賴特殊介質(zhì)或傳輸線。
• 部分繞過或穿透障礙物，實(shí)現(xiàn)非視域通信。
• 方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的組網(wǎng)，多用戶同時(shí)通信時(shí)互不干擾。
• 通過加密、擴(kuò)頻、跳頻等技術(shù)，可提高通信的保密性。

以手機(jī)為例，手機(jī)的無線通信包含了四部分，即基帶、射頻收發(fā)機(jī)、射頻前端以及天線。其中，射頻芯片負(fù)責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大；基帶芯片負(fù)責(zé)信號處理和協(xié)議處理。如語音、圖像、傳感器信號等原始信號就是基帶信號，這些信號通常具有低頻特性，不適合遠(yuǎn)距離傳輸，因此 需要把低頻的基帶信號加載到更高頻的電磁波上 ，即用射頻信號作為載波。以上過程被稱作基帶的調(diào)制（反向過程為解調(diào)）， 而射頻前端則是對射頻信號進(jìn)行過濾和放大 。

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射頻前端是什么

射頻前端即Radio Frequency Front-End，簡稱RFFE，是無線通信模塊的重要組成部分，位于天線和射頻收發(fā)機(jī)之間，在整個(gè)無線通信環(huán)節(jié)中主要起到接收和發(fā)射信號的作用。

從系統(tǒng)構(gòu)成來看，射頻前端可以分為 發(fā)射端和接收端 ：發(fā)射端可以在發(fā)射信號的過程中，將射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的微弱電磁波信號放大和濾波，其中包含了功率放大器（PA）、雙工器/多工器等功能構(gòu)件。接收端可以在接收信號的過程中，將收到的電磁波信號放大和濾波至適合射頻接收機(jī)工作的范圍，其中包含了 濾波器、低噪聲放大器（LNA） 以及射頻開關(guān)等器件。

打個(gè)比方，鬧市中對話的兩人，為了獲得更清晰的對話，可以在說話時(shí)（發(fā)射端）加上個(gè)大喇叭（PA），耳朵收聽時(shí)（接收端）加上個(gè)助聽器（LNA）。為了屏蔽周圍干擾的同時(shí)，也不干擾周邊環(huán)境，還可以將這兩人圍在隔音罩（濾波器）中。

取決于應(yīng)用場景和終端設(shè)備集成度的需求，上述器件通常會按照收發(fā)功能要求和支持的頻段范圍進(jìn)行一定程度的集成。

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射頻元器件介紹

功率放大器

Power Amplifier，簡稱PA

功率放大器（PA）是射頻前端的 核心器件 ，它決定了 通信系統(tǒng)發(fā)射信號的能力 ，是整個(gè)通訊系統(tǒng)芯片組中除基帶主芯片之外最重要的組成部分。例如手機(jī)等無線終端的通訊距離和信號質(zhì)量，都會受功率放大器的性能所影響。

功率放大器的性能提升主要來自于材料工藝的提升，目前已經(jīng)經(jīng)歷了CMOS、GaAs、GaN的三大技術(shù)演變。第一代半導(dǎo)體材料是 CMOS ，技術(shù)成熟且產(chǎn)能穩(wěn)定。第二代半導(dǎo)體材料主要使用 GaAs或SiGe ，有較高的擊穿電壓，可用于高功率、高頻器件應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體材料GaN在性能上顯著強(qiáng)于GaAs，但成本較高。所以目前手機(jī)上的PA主要運(yùn)用第二代化合物半導(dǎo)體GaAs，部分PA則采用Si、Ge工藝的CMOS；2G手機(jī)曾采用CMOS工藝，3G/4G/5G則采用GaAs工藝，而未來GaN或?qū)⒊蔀楦哳l、大功率應(yīng)用的方案。

濾波器及雙工器、多工器

Filter, Duplexer & Multiplexer

濾波器是射頻系統(tǒng)中十分重要的元器件，也是射頻前端中量產(chǎn)壁壘較高的器件。由于手機(jī)發(fā)射和接收信號的過程中會有不同頻段的信號，或干擾其他通信頻率，或被其他頻率干擾，濾波器的主要作用是 允許特定頻段的信號通過 ，過濾掉其他頻段的信號，從而解決不同頻段信號之間的干擾問題。所以 濾波器的性能優(yōu)劣會直接影響通信的質(zhì)量 。

根據(jù)制造工藝的不同，濾波器可以分為聲表面波濾波器（SAW）與體聲波濾波器（BAW），其中SAW濾波器制作工藝較為簡單，技術(shù)難度較低，性價(jià)比較高，適合低頻及接收端濾波；而BAW濾波器性能優(yōu)秀，更適用于高頻濾波，同時(shí)也有著技術(shù)壁壘較高、工藝復(fù)雜且價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。因此受工藝復(fù)雜度、技術(shù)難度及成本控制的影響，目前通信標(biāo)準(zhǔn)下更多射頻前端采用的是SAW濾波器。但隨著5G滲透率的提升，BAW濾波器優(yōu)異的性能和對高頻的支持，將使其在手機(jī)射頻前端的應(yīng)用中逐步提高占比。

雙工器與多工器 ，由兩組或多組不同頻率的帶通濾波器組成，用于 隔離發(fā)射信號與接收信號 。利用高通、低通或帶通濾波器的分頻功能，使得同一天線或傳輸線可對兩條或多條信號路徑同時(shí)使用，從而實(shí)現(xiàn)同一天線對兩種、多種不同頻率信號的接收和發(fā)送。

射頻開關(guān)

Switch / Tuner

射頻開關(guān)分為 傳導(dǎo)開關(guān) （Switch）和 天線調(diào)諧開關(guān) （Tuner）兩種，前者使射頻信號在不同信號路徑之間切換，包括不同頻段之間的切換、接收與發(fā)射之間的切換等。天線調(diào)諧開關(guān)（Tuner）用于天線效率的優(yōu)化，其技術(shù)難度高于傳導(dǎo)開關(guān)（Switch），因?yàn)樘炀€調(diào)諧開關(guān)不但有更高的耐壓要求，同時(shí)需要優(yōu)化導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電容以優(yōu)化天線整體性能，由此對產(chǎn)品提出了更高的設(shè)計(jì)和工藝要求。但射頻開關(guān)的技術(shù)壁壘相對于功率放大器與濾波器還是低一些，國產(chǎn)化率較高。

低噪聲放大器

Low Noise Amplifier，簡稱LNA

低噪聲放大器用在接收端，是噪聲系數(shù)很小的放大器， 可以把天線接收到的微弱射頻信號放大 ，同時(shí) 抑制噪聲 ，使傳輸給后端接收機(jī)的信號更容易處理。LNA能夠有效提高接收機(jī)的接收靈敏度，進(jìn)而提高收發(fā)機(jī)的傳輸距離。因此低噪聲放大器的設(shè)計(jì)是否良好，可以影響到整個(gè)通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

功能小結(jié)