5G射频前端简介

独自等待JHL

无线通信系统中，一般包含有天线、射频前端、射频收发模块以及基带信号处理器四个部分。

随着5G时代的，天线以及射频前端的需求量及价值均快速上升，射频前端是将数字信号向无线射频信号转化的基础部件，也是无线通信系统的核心组件。


按照功能，可将射频前端分为发射端Tx以及接收端Rx。

按照器件不同，射频前端可分为功率放大器PA（发射端射频信号放大）、滤波器filter（发射、接受端信号滤波）、低噪声放大器LNA（接收端信号放大，降低噪声）、开关switch（不同通道切换）、双工器duplexer（信号选择，实现滤波匹配）、调谐器tuner（天线信号通道阻抗匹配）等。








滤波器Filter：选通特定频率，过滤干扰信号

滤波器（Filter），是射频前端中最重要的分立器件，使信号中特定频率成分通过而极大衰减其他频率成分，从而提高信号的抗干扰性及信噪比。

目前在手机射频市场中主要采用声学滤波技术。

根据制造工艺的不同，市面上的声学滤波器可分为声表面波滤波器（Surface Acoustic Wave，SAW）和体声波滤波器（Bulk Acoustic Wave，BAW）两大类。

其中SAW滤波器制作工艺简单，性价比高，主要应用于GHz以下的低频滤波，而BAW滤波器插损低，性能优秀，可以适用于高频滤波，但工艺复杂，价格较高。







 滤波器：SAW/BAW对比









滤波器Filter：5G时代，BAW将成为主流




由于工艺复杂度、技术以及成本的限制，目前通信标准下更多射频前端采用SAW滤波器。

但随着5G渗透率的提升，BAW滤波器优异的性能和对高频的支持将使其成为手机射频前端的主流器件。




双工器/多工器：发射/接收信号的隔离

双工器（Diplexer），又称天线共用器，由两组不同频率的带阻滤波器组成。
利用高通、低通或带通滤波器的分频功能，使得同一天线或传输线可对两条信号路径进行使用，从而实现同一天线对两种多种不同频率信号的接收和发送。




功率放大器PA：放大射频信号进行发射



功率放大器（PA，Power Amplifier）是射频前端的核心部件，利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

PA主要用于发射链路，通过把发射通道的微弱射频信号放大，使信号成功获得足够高的功率，从而实现更高通信质量、更强电池续航能力、更远通信距离。

PA的性能可以直接决定通信信号的稳定性和强弱。



随着半导体材料的不断发展，功率放大器也经历了CMOS、GaAs、GaN三大技术路线。

第一代半导体材料是CMOS，技术成熟且产能稳定。第二代半导体材料主要使用GaAs或SiGe，有较高的击穿电压，可用于高功率、高频器件应用。

第三代半导体材料GaN在性能上显著强亍GaAs，但成本较高。

目前移动端民用市场主要采用GaAs 作为功放，而GaN在部分基站端应用率先实现替代。未来GaN将成为高射频、大功耗应用的主要方案。




低噪声放大器LNA：放大接收信号，减少噪声引入

低噪声放大器(LNA，Low Noise Amplifier)是噪声系数很小的放大器，功能是把天线接收到的微弱射频信号放大，并尽量减少噪声的引入，LNA能够能有效提高接收机的接收灵敏度， 进而提高收发机的传输距离。

因此低噪声放大器的设计是否良好， 关系到整个通信系统的通信质量。



射频开关Switch：控制电路通断，实现信号切换

射频开关（Switch）的通过将多路射频信号中的任一路或几路控制逻辑连通，实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、共用通道，节省终端产品成本的目的。

射频开关主要包括移动通信传导开关、WiFi开关、天线调谐开关等。



调谐器Tuner：天线的阻抗匹配

天线调谐器（Tuner）是位于连接发射系统与天线的一种阻抗匹配网络，用以实现信号的接收、滤波、放大、增益控制等功能，使得天线在所有应用频率上辐射功率最大。

5G/Sub-6通信标准下，手机端中4x4下行链路MIMO要求每根天线能够高效地支持更宽的频率范围，相应对射频天线tuner的需求数量也会增加，以提高相应频段的辐射效率。



其他射频前端器件

Envelop Tracker (ET)，即包络追踪器，用于提高承载高峰均功率比信号的功放效率，实现自适应功率放大输出。

与平均功率跟踪技术相比，包络追踪技术能够让功放的供电电压随输入信号的包络变化，改善射频功率放大器的能效。RF Reveiver，即射频接收机。

射频接收机中，射频信号经天线接收后，通过滤波器、LNA、模数转换器ADC等对信号进行变频解调，最后形成进入基带的基带信号。

射频接收机主要分超外差接收机、零中频接收机和近零中频接收机三种。



射频前端材料及工艺的发展