GSM手機(jī)的RF前端繼續(xù)向高集成度方向發(fā)展

隨著前端模塊(FEMs)到射頻(RF)收發(fā)器模塊相繼投入使用，GSM手機(jī)RF前端的整合之路一直在持續(xù)發(fā)展。事實(shí)上，早在RF收發(fā)器采用直接轉(zhuǎn)換或零中頻(ZIF)架構(gòu)(先消除中頻段，隨后消除IF聲表面波濾波器)的時(shí)候，前端集成就已經(jīng)開始了。隨著收發(fā)器架構(gòu)的演進(jìn)，外部合成元件(即電壓控制振蕩器和鎖相環(huán))已經(jīng)被直接集成在收發(fā)器的芯片中。

高集成度實(shí)現(xiàn)了成本的降低以及電路板尺寸的減小。向高集成度發(fā)展的趨勢(shì)沒有任何停止的跡象。不過，由于集成的途徑非常多，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)加以考慮。

前進(jìn)中的FEM

FEM集成了天線開關(guān)模塊(ASM)和接收端的RF SAW濾波器。無源元件通過低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)集成，而ASM則通常使用PIN型二極管。

ASM和SAW 濾波器供應(yīng)商是FEM產(chǎn)品的主要推動(dòng)者。FEM可作為分立設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單替代方案。在雙頻段GSM手機(jī)設(shè)計(jì)中，一個(gè)雙頻段FEM取代了一個(gè)雙頻段ASM和兩個(gè)分立的RF SAW濾波器。FEM不僅節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，還減少了元件數(shù)量。

FEM在平臺(tái)解決方案中也具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)手機(jī)制造商在一個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)三款手機(jī)(如四頻段、三頻段和雙頻段)時(shí)，可以在所有設(shè)計(jì)中使用四頻段FEM。顯然，四頻段FEM支持四頻段手機(jī)，而用于雙頻段手機(jī)就顯得有些大材小用。但是，相對(duì)于一款手機(jī)采用多個(gè)分立元件，使用一種元件可以使平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)流程化。

雖然在雙頻段手機(jī)設(shè)計(jì)中使用四頻段FEM的元件成本或許會(huì)高于使用雙頻段FEM或分立元件，但是使用一個(gè)四頻段FEM卻降低了供應(yīng)鏈成本。如果手機(jī)制造商的每款手機(jī)都使用不同的FEM，就會(huì)增加額外的生產(chǎn)線上產(chǎn)品種類，并要解決相應(yīng)的管理、貨源以及庫(kù)存問題。如果手機(jī)制造商決定在手機(jī)中采用分立解決方案，這些額外的工作量還會(huì)增加。

目前，與分立解決方案相比，F(xiàn)EM可能需要花費(fèi)一筆額外費(fèi)用(price premium)，不過，這取決于客戶。例如，頂級(jí)手機(jī)制造商不會(huì)為FEM支付額外費(fèi)用，而小型公司則需要。

圖1：GSM手機(jī)RF前端將繼續(xù)沿著多種途徑向高集成度方向發(fā)展

FEM正在迅速成為手機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)先選用方案。隨著制造商愈發(fā)意識(shí)到FEM帶來的設(shè)計(jì)和成本優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)EM的繁榮景象將持續(xù)下去。

其它集成方案

另一個(gè)集成途徑將一個(gè)ASM和功放模塊(PAM)集成在一起，這種方法倍受PAM供應(yīng)商推崇。這些模塊使用砷化鎵(GaAs)偽同晶高電子遷移晶體管(pHEMT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)ASM，使用GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管(HBT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)PAM，無源元件的集成直接在GaAs晶圓上實(shí)現(xiàn)。

近日，STMicroelectronics N.V.公司發(fā)布的三頻段RF模塊，集成了RF收發(fā)器、BAW濾波器和ASM。

ST公司使用其稱之為IPAD(集成無源/有源元件)的技術(shù)來集成無源元件。另外，該公司還使用了一種層壓(laminate)技術(shù)，可以把RF收發(fā)器、天線開關(guān)和BAW濾波器集成在一個(gè)單獨(dú)基底上。

ST模塊實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵水平的集成。與僅僅把分立元件放置在PC板上并稱其為一個(gè)模塊(就如一些半導(dǎo)體供應(yīng)商所為)不同，ST公司的產(chǎn)品以一個(gè)高度集成的RF收發(fā)器開始，加入集成的無源和有源元件，最后還整合了微型倒裝片(flip-chip)BAW濾波器。

在ST的RF模塊解決方案中，兆赫茲晶體是一個(gè)唯一需要的主要外部分立元件。但是，Discera等公司目前正在推動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)共鳴器，借助其實(shí)現(xiàn)替代或集成大型參考晶體的可能性。

前端集成的未來走向

如何進(jìn)一步提高前端的集成度呢？顯然，一種途徑是實(shí)現(xiàn)ASM與SAW/BAW 濾波器和RF收發(fā)器的集成；另一種途徑是實(shí)現(xiàn)ASM與SAW/BAW濾波器和PAM的集成。無論哪種途徑，集成的最終結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生一種整合所有元件的完整模塊。

設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮實(shí)現(xiàn)最終集成的各種方法，而且一些技術(shù)問題也必須認(rèn)真加以考慮。例如，ASM技術(shù)不外乎就是PIN型二極管或GaAs pHEMT，但這兩項(xiàng)都不易于實(shí)現(xiàn)ASM同濾波器和RF收發(fā)器的集成。另外，在ASM-PAM-濾波器模塊中，還存在影響SAW/BAW濾波器熱特性的功放熱耗散問題。

目前有多種不同途徑可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)RF前端的集成，很明顯，集成趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去。由于RF子系統(tǒng)的要求并未改變，因此必須簡(jiǎn)化手機(jī)的前端部分以便為增加的元件騰出空間，同時(shí)降低基帶成本。

在實(shí)現(xiàn)前端集成的過程中，時(shí)刻考慮終端用戶的利益也是非常重要的。在不增加成本的情況下，手機(jī)制造商更喜歡流水線型設(shè)計(jì)，這一點(diǎn)已經(jīng)從FEM的廣泛使用得到了證明。更高集成度的模塊能夠?qū)崿F(xiàn)流水線性設(shè)計(jì)嗎？隨著科技的進(jìn)步，相信集成度更高的模塊能夠進(jìn)入手機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提供更好的流程化和成本節(jié)約方案。