如今的無線設(shè)備中，線路板上一半以上的元件都是模擬RF器件，因此要縮小線路板面積和功耗一個有效方法就是進(jìn)行更大規(guī)模RF集成，并向系統(tǒng)級芯片方向發(fā)展。

    今天的新一代蜂窩電話設(shè)計要復(fù)雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍(lán)牙個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、GPS定位等功能，而且超寬帶和電視接收功能已經(jīng)開始出現(xiàn)。

    移動電話、手提電話、無線電話、行動電話、攜帶電話、流動電話，簡稱手提、手機(jī)，是可以在較廣范圍內(nèi)使用的便攜式電話終端。早期（90年代初期及以前）因為價格昂貴，只有少部分人才買得起，又有大哥大的俗稱。九十年代后期大幅降價，如今已成為人類日常不可或缺的電子用品之一。

    幾年以前，蜂窩手機(jī)市場還是單頻和雙頻單模手機(jī)占主導(dǎo)地位，其使用的技術(shù)僅支持一個或兩個蜂窩頻段，在所有支持頻段中采用相同的調(diào)制方法、多路訪問方案和協(xié)議。

    目前在范圍內(nèi)使用廣是所謂的第二代手機(jī)（2G），以GSM和cdmaOne為主。它們都是數(shù)字制式的，除了可以進(jìn)行語音通信以外，還可以收發(fā)短信、MMS、無線應(yīng)用協(xié)議等。在中國大陸及臺灣以GSM為普及，cdmaOne和小靈通（PHS）手機(jī)也很流行。目前整個行業(yè)正在向第三代手機(jī)（3G）遷移過程中。

    無線電話正在成為所謂的手持個人娛樂中心這樣一種復(fù)雜設(shè)備，其發(fā)展趨勢對設(shè)計人員不斷帶來更多挑戰(zhàn)。雖然相比于只有語音功能的手機(jī)而言，新一代手機(jī)在通信處理、應(yīng)用處理、射頻接口數(shù)量以及集成存儲器容量等方面都有了大幅增長。保持現(xiàn)有的外形尺寸和功耗，卻要使功能呈指數(shù)倍增長，同時還要維持總體系統(tǒng)成本不變，這些都給系統(tǒng)設(shè)計人員提出了大量的難題。

    顯然，問題涉及整個系統(tǒng)設(shè)計的各個部分，以及所有無線通信和娛樂內(nèi)容的供應(yīng)商們。在減少線路板面積和功耗方面特別有效的一個領(lǐng)域是無線系統(tǒng)設(shè)計的RF部分，這是因為在今天典型的移動電話中，線路板上的元件有一半以上是模擬RF元件，這些元件加在一起占據(jù)了整個線路板面積的30-40%，增加諸如藍(lán)牙、GPS和 WLAN之類的射頻系統(tǒng)還會極大增加對空間的要求。

    解決方案是進(jìn)行更大規(guī)模的RF集成，并發(fā)展成為完全集成的系統(tǒng)級芯片。有些設(shè)計人員將模數(shù)轉(zhuǎn)換器放到天線中，使射頻功能所需總線路板空間為之減少，當(dāng)半導(dǎo)體集成技術(shù)在單個器件中能集成更多功能時，分立器件數(shù)目及用來容納這些器件的線路板空間就都相應(yīng)減少了。隨著業(yè)界向系統(tǒng)級芯片集成發(fā)展，設(shè)計人員還將不斷發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，以滿足小型無線設(shè)備中更高RF復(fù)雜性和延長電池壽命這兩者之間的矛盾。

    RF集成發(fā)展現(xiàn)狀

    RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于1000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有廣泛的、不可替代的作用。

    在電子學(xué)理論中，電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會形成磁場；交變電流通過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。

    在電磁波頻率低于100khz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時，電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力，我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，英文：Radio Frequency 縮寫：RF。

    超外差射頻器件使用多級混頻器、濾波器和多個電壓控制振蕩器（VCO），已經(jīng)很好地應(yīng)用了多年，但直接變頻射頻器件的集成度能夠大大減少GSM RF總體元件數(shù)。

    對于設(shè)計人員來講，先進(jìn)的集成有助于克服無線RF中一些大的難題，其中基本的一個是收發(fā)器的DC電源及其調(diào)節(jié)。在通話時，隨著溫度和時間變化，電池電壓會變化，此外，來自TX VCO和RX VCO電源的噪聲耦合也會影響整個系統(tǒng)的性能，因而設(shè)計人員面臨著如何解決射頻線路板調(diào)節(jié)器和大多數(shù)相關(guān)無源元件的問題。將這些器件集成在射頻收發(fā)器中意味著所需的外部元件就是簡單的去耦電容，這種直接與電源相連的特性不僅簡化了設(shè)計，也節(jié)省了線路板空間。

    RF設(shè)計人員面臨的另一個挑戰(zhàn)是VCO調(diào)諧范圍和鎖定時間。在所有模擬VCO設(shè)計中。因為常常需要對鎖定時間和調(diào)諧范圍進(jìn)行平衡，所以回路濾波器一般放在芯片外部。有時候，這可以在VCO調(diào)諧范圍的軟件控制中解決，然而這個方法對電話整體開發(fā)提出了額外的資源要求。當(dāng)數(shù)字調(diào)諧功能包括在VCO中且能提供自校準(zhǔn)時，就可得到一個擴(kuò)展的調(diào)諧范圍，回路濾波器元件就能放在芯片中。顯然，這一方案可使設(shè)計工程師簡化他們的工作。

    先進(jìn)集成能帶來實質(zhì)性節(jié)約的另一個領(lǐng)域是VCXO。在過去，要購買昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設(shè)計在射頻器件中，所以將VCTCXO模塊常用元件并入射頻器件中能減少費用和相關(guān)設(shè)計問題，利用TRF6151僅需要一個低價位的晶體和變?nèi)?a target="_blank">二極管就能完成VCTCXO的功能。

    低噪聲放大器（LNA）設(shè)計中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設(shè)計工程師必須判定接收器的總功率預(yù)算，以及接收器靈敏度水平要求。但是噪聲并不隨功率減少而減少，事實上正好相反。所以雖然能滿足 GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計人員也必須經(jīng)常問自己，為達(dá)到某個靈敏度水平而在功耗上付出代價是否值得。這個問題也說明對設(shè)計工程師和IC制造商來講為什么在整個設(shè)計過程中密切配合非常必要，從設(shè)計工程師處得到的反饋能夠引導(dǎo)IC制造商在開發(fā)未來RF產(chǎn)品時更好地為無線業(yè)界服務(wù)。

    向SoC發(fā)展

    降低無線系統(tǒng)的成本、功率和復(fù)雜性對于成功滿足系統(tǒng)集成度要求是非常重要的，然而，開發(fā)移動電話高集成度方案需要半導(dǎo)體業(yè)界克服復(fù)雜的技術(shù)障礙，這些障礙有些很少被設(shè)計人員所關(guān)心，因為他們很多人并不想知道SoC器件是怎么制成的，而只要能提供所需性能就行了。所以，很有必要對一些工藝技術(shù)作一個快速的了解，這些技術(shù)將影響蜂窩手機(jī)集成所用器件的能力和可用性。

    手機(jī)射頻電子系統(tǒng)集成有幾種可行方案。首先，可以使用傳統(tǒng)技術(shù)在一個相對簡單的雙極型或BiCMOS工藝中實現(xiàn)一個傳統(tǒng)射頻架構(gòu)，終的射頻芯片可以用多芯片封裝技術(shù)（系統(tǒng)級封裝技術(shù)）與手機(jī)數(shù)字邏輯功能組裝在一起。雖然這一技術(shù)有很多優(yōu)點，如采用了熟悉的射頻設(shè)計方法和成熟的工藝和技術(shù)，但測試器件高昂的費用和成品率限制使它很難實現(xiàn)商用化。

    另外還有一種方法，手機(jī)電子系統(tǒng)集成也可用先進(jìn)BiCMOS（SiGe）晶圓工藝得到。然而由于處理 SiGe HBT器件需要額外的光刻工序，因此的芯片將需要一個額外的費用，同時因為SiGe BiCMOS技術(shù)不能利用的光刻工藝，所以通常BiCMOS工藝落后于先進(jìn)的數(shù)字CMOS工藝。這些都會給增加手機(jī)特性并降低成本帶來巨大的壓力，它不可能用簡單的晶圓工藝策略來解決，因為這一技術(shù)無法在所有時間保持系統(tǒng)邏輯或數(shù)字部分都是可能價位，所以在BiCMOS（或SiGe）中系統(tǒng)基帶功能射頻部分進(jìn)行單片集成不是一個很好的選擇。

    可以考慮的方案是在CMOS中進(jìn)行射頻集成，這一方法也面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。雖然已經(jīng)有幾種CMOS蜂窩射頻設(shè)計，但這些設(shè)計很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術(shù)來實現(xiàn)模擬混頻器、濾波器和放大器是很困難的，而且功耗一般要大于 SiGe BiCMOS方案。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS額定電平越來越低，這使模擬設(shè)計更為困難。在開發(fā)新工藝早期，器件建模和工藝成熟性一般都不能滿足模擬模塊設(shè)計所需的高參數(shù)建模要求，不過，近開發(fā)的數(shù)字CMOS射頻架構(gòu)使單片CMOS集成變得更有吸引力。

    結(jié)論

    在RF集成方面依然有許多難題。現(xiàn)代手機(jī)的每一個射頻器件都面臨著嚴(yán)格的性能要求，靈敏度要求大約為-106dBm（1毫瓦以下106dB）或更高，而相應(yīng)的電平只有幾個微伏；另外選擇性也即有用通道對相鄰頻段的拒絕能力（通常稱為阻塞）應(yīng)為60dB數(shù)量級；此外系統(tǒng)振蕩器要求運行在非常低的相噪聲下，以防止折疊阻塞能量進(jìn)入接收頻段。由于涉及到非常高的頻率和極苛刻的性能要求，射頻集成是非常困難的。

    處理多頻率標(biāo)準(zhǔn)為整個SoC頻率帶來一個真正的挑戰(zhàn)，希望能夠減輕帶內(nèi)信號傳輸產(chǎn)生的激勵，向數(shù)字射頻集成所包括的內(nèi)容要比將多個射頻元件放在一個芯片中多得多，需要有一個硬件共享的新架構(gòu)。

    對于系統(tǒng)設(shè)計人員來講，目前簡單、高集成度、節(jié)省成本的半導(dǎo)體器件能夠大大降低設(shè)計復(fù)雜性，與此同時它們又能夠豐富無線器件的特性且保持系統(tǒng)尺寸、電池壽命和費用不變。新的高集成度RF器件還可以消除一些無線設(shè)計中的爭論，節(jié)約工程師們寶貴的時間。