GSM手机的RF前端继续向高集成度方向发展

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      随着前端模块(FEMs)到射频(RF)收发器模块相继投入使用,GSM手机RF前端的整合之路一直在持续发展。事实上,早在RF收发器采用直接转换或零中频(ZIF)架构(先消除中频段,随后消除IF声表面波滤波器)的时候,前端集成就已经开始了。随着收发器架构的演进,外部合成元件(即电压控制振荡器和锁相环)已经被直接集成在收发器的芯片中。

 

      高集成度实现了成本的降低以及电路板尺寸的减小。向高集成度发展的趋势没有任何停止的迹象。不过,由于集成的途径非常多,因此在设计时必须仔细加以考虑。

前进中的FEM

      FEM集成了天线开关模块(ASM)和接收端的RF SAW滤波器。无源元件通过低温共烧陶瓷(LTCC)技术集成,而ASM则通常使用PIN型二极管。

      ASM和SAW 滤波器供应商是FEM产品的主要推动者。FEM可作为分立设计的一个简单替代方案。在双频段GSM手机设计中,一个双频段FEM取代了一个双频段ASM和两个分立的RF SAW滤波器。FEM不仅节省了设计时间,还减少了元件数量。

      FEM在平台解决方案中也具有优势。当手机制造商在一个平台设计三款手机(如四频段、三频段和双频段)时,可以在所有设计中使用四频段FEM。显然,四频段FEM支持四频段手机,而用于双频段手机就显得有些大材小用。但是,相对于一款手机采用多个分立元件,使用一种元件可以使平台的设计流程实现流程化。

      虽然在双频段手机设计中使用四频段FEM的元件成本或许会高于使用双频段FEM或分立元件,但是使用一个四频段FEM却降低了供应链成本。如果手机制造商的每款手机都使用不同的FEM,就会增加额外的生产线上产品种类,并要解决相应的管理、货源以及库存问题。如果手机制造商决定在手机中采用分立解决方案,这些额外的工作量还会增加。


图1:GSM手机RF前端将继续沿着多种途径向高集成度方向发展


      目前,与分立解决方案相比,FEM可能需要花费一笔额外费用(price premium),不过,这取决于客户。例如,顶级手机制造商不会为FEM支付额外费用,而小型公司则需要。

 

      FEM正在迅速成为手机设计的优先选用方案。随着制造商愈发意识到FEM带来的设计和成本优势,FEM的繁荣景象将持续下去。

      其它集成方案 另一个集成途径将一个ASM和功放模块(PAM)集成在一起,这种方法倍受PAM供应商推崇。这些模块使用砷化镓(GaAs)伪同晶高电子迁移晶体管(pHEMT)技术实现ASM,使用GaAs异质结构双极晶体管(HBT)技术实现PAM,无源元件的集成直接在GaAs晶圆上实现。

      STMicroelectronics N.V.公司发布了三频段RF模块,集成了RF收发器、BAW滤波器和ASM。

      ST公司使用其称之为IPAD(集成无源/有源元件)的技术来集成无源元件。另外,该公司还使用了一种层压(laminate)技术,可以把RF收发器、天线开关和BAW滤波器集成在一个单独基底上。

      ST模块实现了关键水平的集成。与仅仅把分立元件放置在PC板上并称其为一个模块(就如一些半导体供应商所为)不同,ST公司的产品以一个高度集成的RF收发器开始,加入集成的无源和有源元件,最后还整合了微型倒装片(flip-chip)BAW滤波器。

      在ST的RF模块解决方案中,兆赫兹晶体是一个唯一需要的主要外部分立元件。但是,Discera等公司目前正在推动微机电系统(MEMS)共鸣器,借助其实现替代或集成大型参考晶体的可能性。

前端集成的未来走向

      如何进一步提高前端的集成度呢?显然,一种途径是实现ASM与SAW/BAW 滤波器和RF收发器的集成;另一种途径是实现ASM与SAW/BAW滤波器和PAM的集成。无论哪种途径,集成的最终结果都会产生一种整合所有元件的完整模块。

      设计人员必须仔细考虑实现最终集成的各种方法,而且一些技术问题也必须认真加以考虑。例如,ASM技术不外乎就是PIN型二极管或GaAs pHEMT,但这两项都不易于实现ASM同滤波器和RF收发器的集成。另外,在ASM-PAM-滤波器模块中,还存在影响SAW/BAW滤波器热特性的功放热耗散问题。

      目前有多种不同途径可以实现手机RF前端的集成,很明显,集成趋势还会持续下去。由于RF子系统的要求并未改变,因此必须简化手机的前端部分以便为增加的元件腾出空间,同时降低基带成本。

      在实现前端集成的过程中,时刻考虑终端用户的利益也是非常重要的。在不增加成本的情况下,手机制造商更喜欢流水线型设计,这一点已经从FEM的广泛使用得到了证明。更高集成度的模块能够实现流水线性设计吗?随着科技的进步,相信集成度更高的模块能够进入手机设计领域,提供更好的流程化和成本节约方案。