学习射频发射电路,了解国产射频芯片产业链现状

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发射电路的结构和工作原理

 

发射时,把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频,用TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。经功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。

 

该电路掌握重点:(1)、电路结构;(2)、各元件的功能与作用;(3)、发射信号流程。

 

1.电路结构

 

发射电路由中频内部的发射调制器、发射鉴相器;发射压控振荡器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、发射互感器等电路组成。(如下图)

 

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发射电路方框图

 

2.各元件的功能与作用

 

1)、发射调制器:

 

结构:发射调制器在中频内部,相当于宽带网络中的MOD。

 

作用:发射时把逻辑电路处理过的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)与本振信号调制成发射中频。

 

2)、发射压控振荡器(TX-VCO):

 

结构:发射压控振荡器是由电压控制输出频率的电容三点式振荡电路;在生产制造时集成为一小电路板上,引出五个脚:供电脚、接地脚、输出脚、控制脚、900M/1800M频段切换脚。当有合适工作电压后便振荡产生相应频率信号。

 

作用:把中频内调制器调制成的发射中频信号转为基站能接收的890M-915M(GSM)的频率信号。

 

原理:众所周知,基站只能接收890M-915M(GSM)的频率信号,而中频调制器调制的中频信号(如三星发射中频信号135M)基站不能接收的,因此,要用TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。

 

当发射时,电源部分送出3VTX电压使TX-VCO工作,产生890M-915M(GSM)的频率信号分两路走:a)、取样送回中频内部,与本振信号混频产生一个与发射中频相等的发射鉴频信号,送入鉴相器中与发射中频进行较;若TX-VCO振荡出频率不符合手机的工作信道,则鉴相器会产生1-4V跳变电压(带有交流发射信息的直流电压)去控制TX-VCO内部变容二极管的电容量,达到调整频率准确性目的。b)、送入功放经放大后由天线转为电磁波辐射出去。

 

从上看出:由TX-VCO产生频率到取样送回中频内部,再产生电压去控制TX-VCO工作;刚好形成一个闭合环路,且是控制频率相位的,因此该电路也称发射锁相环电路。

 

3)、功率放大器(功放):

 

结构:目前手机的功放为双频功放(900M功放和1800M功放集成一体),分黑胶功放和铁壳功放两种;不同型号功放不能互换。

 

作用:把TX-VCO振荡出频率信号放大,获得足够功率电流,经天线转化为电磁波辐射出去。

 

值得注意:功放放大的是发射频率信号的幅值,不能放大他的频率。

 

功率放大器的工作条件:

 

a)、工作电压(VCC):手机功放供电由电池直接提供(3.6V);

 

b)、接地端(GND):使电流形成回路;

 

c)、双频功换信号(BANDSEL):控制功放工作于900M或工作于1800M;

 

d)、功率控制信号(PAC):控制功放的放大量(工作电流);

 

e)、输入信号(IN);输出信号(OUT)。

 

4)、发射互感器:

 

结构:两个线径和匝数相等的线圈相互靠近,利用互感原理组成。

 

作用:把功放发射功率电流取样送入功控。

 

原理:当发射时功放发射功率电流经过发射互感器时,在其次级感生与功率电流同样大小的电流,经检波(高频整流)后并送入功控。

 

5)、功率等级信号:

 

所谓功率等级就是工程师们在手机编程时把接收信号分为八个等级,每个接收等级对应一级发射功率(如下表),手机在工作时,CPU根据接的信号强度来判断手机与基站距离远近,送出适当的发射等级信号,从而来决定功放的放大量(即接收强时,发射就弱)。

 

附功率等级表:

 

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6)、功率控制器(功控):

 

结构:为一个运算比较放大器。

 

作用:把发射功率电流取样信号和功率等级信号进行比较,得到一个合适电压信号去控制功放的放大量。

 

原理:当发射时功率电流经过发射互感器时,在其次级感生的电流,经检波(高频整流)后并送入功控;同时编程时预设功率等级信号也送入功控;两个信号在内部比较后产生一个电压信号去控制功放的放大量,使功放工作电流适中,既省电又能长功放使用寿命(功控电压高,功放功率就大)。

 

3.发射信号流程

 

当发射时,逻辑电路处理过的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N),送入中频内部的发射调制器,与本振信号调制成发射中频。而中频信号基站不能接收的,要用TX-VCO把发射中频信号频率上升为890M-915M(GSM)的频率信号基站才能接收。当TX-VCO工作后,产生890M-915M(GSM)的频率信号分两路走:

 

a)、一路取样送回中频内部,与本振信号混频产生一个与发射中频相等的发射鉴频信号,送入鉴相器中与发射中频进行较;若TX-VCO振荡出频率不符合手机的工作信道,则鉴相器会产生一个1-4V跳变电压去控制TX-VCO内部变容二极管的电容量,达到调整频率目的。

 

b)、二路送入功放经放大后由天线转化为电磁波辐射出去。为了控制功放放大量,当发射时功率电流经过发射互感器时,在其次级感生的电流,经检波(高频整流)后并送入功控;同时编程时预设功率等级信号也送入功控;两个信号在内部比较后产生一个电压信号去控制功放的放大量,使功放工作电流适中,既省电又能长功放使用寿命。

 

国产射频芯片产业链现状

 

在射频芯片领域,市场主要被海外巨头所垄断,海外的主要公司有Qrovo,skyworks和Broadcom;国内射频芯片方面,没有公司能够独立支撑IDM的运营模式,主要为Fabless设计类公司;国内企业通过设计、代工、封装环节的协同,形成了“软IDM“”的运营模式。

 

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射频芯片设计方面,国内公司在5G芯片已经有所成绩,具有一定的出货能力。射频芯片设计具有较高的门槛,具备射频开发经验后,可以加速后续高级品类射频芯片的开发。目前,具备射频芯片设计的公司有紫光展锐、唯捷创芯、中普微、中兴通讯、雷柏科技、华虹设计、江苏钜芯、爱斯泰克等。

 

射频芯片代工方面,台湾已经成为全球最大的化合物半导体芯片代工厂,台湾主要的代工厂有稳懋、宏捷科和寰宇,国内仅有三安光电和海威华芯开始涉足化合物半导体代工。三安光电是国内目前国内布局最为完善,具有GaAs HBT/pHEMT和 GaNSBD/FET 工艺布局,目前在于国内200多家企事业单位进行合作,有10多种芯片通过性能验证,即将量产。海威华芯为海特高新控股的子公司,与中国电科29所合资,目前具有GaAs 0.25um PHEMT工艺制程能力。

 

射频芯片封装方面,5G射频芯片一方面频率升高导致电路中连接线的对电路性能影响更大,封装时需要减小信号连接线的长度;另一方面需要把功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器封装成为一个模块,一方面减小体积另一方面方便下游终端厂商使用。为了减小射频参数的寄生需要采用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封装技术。

 

Flip-Chip和Fan-In、Fan-Out工艺封装时,不需要通过金丝键合线进行信号连接,减少了由于金丝键合线带来的寄生电效应,提高芯片射频性能;到5G时代,高性能的Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out结合Sip封装技术会是未来封装的趋势。

 

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Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out和Sip封装属于高级封装,其盈利能力远高于传统封装。国内上市公司,长电科技收购星科金朋后,形成了完整的FlipChip+Sip技术的封装能力。

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