5G射頻前端以及架構(gòu)詳解

在前期分享的手機拆解文章中，我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在智能手機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)計也越來越復雜，不僅需要更多的天線來支持所有頻段的信號首發(fā)，更是需要更復雜的射頻前端模塊對信號進行分別處理。

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

蘋果12手機的電路圖，這是蘋果手機第一次支持5G通信，包括sub-6G以及5G mmwave，在這款手機上射頻前端模塊的數(shù)量相對于之前的蘋果手機增加了接近一倍，當然，占用的PCB面積也增大了接近一倍，是當時最復雜的手機射頻前端系統(tǒng)。

為什么FEM要如此復雜？

年紀大一點的同學，可能對早期的手機深有感觸，相同的手機支持的通信制式可能不一樣，有的只支持電信版的CDMA，有的僅僅支持移動聯(lián)通的GSM，有可能移動聯(lián)通的GSM也不一樣，因為工作頻段不同。這樣有一個好處，就是射頻前端的設(shè)計就比較簡單，僅僅需要將手機信號發(fā)射或者接收進來就可以，手機天線也比較簡單，就如同我們曾拆解的Nokia3230，一個手機天線就足夠覆蓋了。

如下圖所示，這款手機僅支持GSM900和GSM1800/1900. 注意這個頻段還是倍頻關(guān)系，對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手機的蜂窩通信頻段，5G NR ?23個頻段，4G FDD-LTE 19個頻段，TD-LTE8個頻段，3G UMTS/HSPA+/DC-HSDPA 6個頻段，以及2G GSM 4個頻段。就單單移動通信這塊就高達 60個頻段，當然這些頻段里面有一些重合。

iPhone15支持的移動通信頻段是諾基亞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手機除了支持更多的射頻頻段，還有射頻通信的復雜度也在提高，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)計的復雜度。

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

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

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用同一個天線，從而減少天線的數(shù)量。但是射頻鏈路的復雜度依然非常巨大，并且手機所能夠提供的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)能夠讓復雜的射頻鏈路集成在小小的芯片上。所以，RFIC技術(shù)才會成為“卡脖子”的技術(shù)難題。

射頻前端包括哪些部分？

對于射頻前端鏈路，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。對于發(fā)射鏈路，信號從調(diào)制解調(diào)器出來，然后進入到射頻收發(fā)器，然后經(jīng)過放大器，雙工器，進入天線，接受鏈路則相反，天線接收來的微弱信號經(jīng)過雙工濾波之后進入LNA，然后進入到射頻接收器，進而在調(diào)制解調(diào)器中完成信號解調(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》，論文中給出了多個射頻前端的框圖以及實現(xiàn)方式。

下圖是4GLTE、5GNR的一個射頻前端框圖，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)

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

論文中還給出了MMBPA和SOI的照片。

總結(jié)

射頻前端的發(fā)展進一步促進了移動通信的發(fā)展，現(xiàn)在上馬的5GA以及將來的6G，都會對射頻前端設(shè)計提出更進一步的要求。

但是難不是最可怕的，最可怕的是“簡單”。因為解決無線通信中的難題，就是我們射頻工程師最大的價值所在。

參考閱讀：