如今的無(wú)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(gè)有效方法就是進(jìn)行更大規(guī)模RF集成，并向系統(tǒng)級(jí)芯片方向發(fā)展。

    今天的新一代蜂窩電話設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，能提供多頻段、多模式支持，具有藍(lán)牙個(gè)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(kāi)始出現(xiàn)。

    移動(dòng)電話、手提電話、無(wú)線電話、行動(dòng)電話、攜帶電話、流動(dòng)電話，簡(jiǎn)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?yàn)閮r(jià)格昂貴，只有少部分人才買(mǎi)得起，又有大哥大的俗稱。九十年代后期大幅降價(jià)，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(chǎng)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(gè)或兩個(gè)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(wèn)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(yǔ)音通信以外，還可以收發(fā)短信、MMS、無(wú)線應(yīng)用協(xié)議等。在中國(guó)大陸及臺(tái)灣以GSM為普及，cdmaOne和小靈通（PHS）手機(jī)也很流行。目前整個(gè)行業(yè)正在向第三代手機(jī)（3G）遷移過(guò)程中。

    無(wú)線電話正在成為所謂的手持個(gè)人娛樂(lè)中心這樣一種復(fù)雜設(shè)備，其發(fā)展趨勢(shì)對(duì)設(shè)計(jì)人員不斷帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。雖然相比于只有語(yǔ)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(chǔ)器容量等方面都有了大幅增長(zhǎng)。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(zhǎng)，同時(shí)還要維持總體系統(tǒng)成本不變，這些都給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提出了大量的難題。

    顯然，問(wèn)題涉及整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，以及所有無(wú)線通信和娛樂(lè)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(gè)領(lǐng)域是無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的RF部分，這是因?yàn)樵诮裉斓湫偷囊苿?dòng)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(gè)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(huì)極大增加對(duì)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(jí)芯片。有些設(shè)計(jì)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(gè)器件中能集成更多功能時(shí)，分立器件數(shù)目及用來(lái)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(jí)芯片集成發(fā)展，設(shè)計(jì)人員還將不斷發(fā)現(xiàn)新技術(shù)，以滿足小型無(wú)線設(shè)備中更高RF復(fù)雜性和延長(zhǎng)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(jiǎn)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(wú)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(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)形成磁場(chǎng)；交變電流通過(guò)導(dǎo)體，導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)形成交變的電磁場(chǎng)，稱為電磁波。

    在電磁波頻率低于100khz時(shí)，電磁波會(huì)被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz時(shí)，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(xiě)：RF。

    超外差射頻器件使用多級(jí)混頻器、濾波器和多個(gè)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(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)講，先進(jìn)的集成有助于克服無(wú)線RF中一些大的難題，其中基本的一個(gè)是收發(fā)器的DC電源及其調(diào)節(jié)。在通話時(shí)，隨著溫度和時(shí)間變化，電池電壓會(huì)變化，此外，來(lái)自TX VCO和RX VCO電源的噪聲耦合也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因而設(shè)計(jì)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(wú)源元件的問(wèn)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(jiǎn)單的去耦電容，這種直接與電源相連的特性不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，也節(jié)省了線路板空間。

    RF設(shè)計(jì)人員面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是VCO調(diào)諧范圍和鎖定時(shí)間。在所有模擬VCO設(shè)計(jì)中。因?yàn)槌３Ｐ枰獙?duì)鎖定時(shí)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(shí)候，這可以在VCO調(diào)諧范圍的軟件控制中解決，然而這個(gè)方法對(duì)電話整體開(kāi)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(shí)，就可得到一個(gè)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(jì)工程師簡(jiǎn)化他們的工作。

    先進(jìn)集成能帶來(lái)實(shí)質(zhì)性節(jié)約的另一個(gè)領(lǐng)域是VCXO。在過(guò)去，要購(gòu)買(mǎi)昂貴的VCTCXO模塊作為分立元件設(shè)計(jì)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(fèi)用和相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題，利用TRF6151僅需要一個(gè)低價(jià)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(jì)中所用的電流越大，總體噪聲特性就越低。設(shè)計(jì)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(shí)上正好相反。所以雖然能滿足 GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計(jì)人員也必須經(jīng)常問(wèn)自己，為達(dá)到某個(gè)靈敏度水平而在功耗上付出代價(jià)是否值得。這個(gè)問(wèn)題也說(shuō)明對(duì)設(shè)計(jì)工程師和IC制造商來(lái)講為什么在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中密切配合非常必要，從設(shè)計(jì)工程師處得到的反饋能夠引導(dǎo)IC制造商在開(kāi)發(fā)未來(lái)RF產(chǎn)品時(shí)更好地為無(wú)線業(yè)界服務(wù)。

    向SoC發(fā)展

    降低無(wú)線系統(tǒng)的成本、功率和復(fù)雜性對(duì)于成功滿足系統(tǒng)集成度要求是非常重要的，然而，開(kāi)發(fā)移動(dòng)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(jì)人員所關(guān)心，因?yàn)樗麄兒芏嗳瞬⒉幌胫繱oC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(duì)一些工藝技術(shù)作一個(gè)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(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的雙極型或BiCMOS工藝中實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jí)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(diǎn)，如采用了熟悉的射頻設(shè)計(jì)方法和成熟的工藝和技術(shù)，但測(cè)試器件高昂的費(fèi)用和成品率限制使它很難實(shí)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(gè)額外的費(fèi)用，同時(shí)因?yàn)镾iGe 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(huì)給增加手機(jī)特性并降低成本帶來(lái)巨大的壓力，它不可能用簡(jiǎn)單的晶圓工藝策略來(lái)解決，因?yàn)檫@一技術(shù)無(wú)法在所有時(shí)間保持系統(tǒng)邏輯或數(shù)字部分都是可能價(jià)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(gè)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(jì)，但這些設(shè)計(jì)很大程度是建立在模擬功能上。用CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)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(lái)越低，這使模擬設(shè)計(jì)更為困難。在開(kāi)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(jì)所需的高參數(shù)建模要求，不過(guò)，近開(kāi)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?，F(xiàn)代手機(jī)的每一個(gè)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(gè)微伏；另外選擇性也即有用通道對(duì)相鄰頻段的拒絕能力（通常稱為阻塞）應(yīng)為60dB數(shù)量級(jí)；此外系統(tǒng)振蕩器要求運(yùn)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(gè)SoC頻率帶來(lái)一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，希望能夠減輕帶內(nèi)信號(hào)傳輸產(chǎn)生的激勵(lì)，向數(shù)字射頻集成所包括的內(nèi)容要比將多個(gè)射頻元件放在一個(gè)芯片中多得多，需要有一個(gè)硬件共享的新架構(gòu)。

    對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)講，目前簡(jiǎn)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(jì)復(fù)雜性，與此同時(shí)它們又能夠豐富無(wú)線器件的特性且保持系統(tǒng)尺寸、電池壽命和費(fèi)用不變。新的高集成度RF器件還可以消除一些無(wú)線設(shè)計(jì)中的爭(zhēng)論，節(jié)約工程師們寶貴的時(shí)間。