5G射频前端以及架构详解

在前期分享的手机拆解文章中，我们可以发现，现在智能手机支持的频段越来越多，包括我们常用的蜂窝通信频段4G，5G甚至早期的2G，也包括常用的短距离无线通信频段，WiFi，Bluetooth，NFC，UWB等，当然还有必备的卫星定位频率，这样就使得射频前端的设计也越来越复杂，不仅需要更多的天线来支持所有频段的信号首发，更是需要更复杂的射频前端模块对信号进行分别处理。

当然，近些年，射频前端技术的发展，让这些复杂的通信制式能够集成在了小小的巴掌大小的手机上，也使得手机的通信性能不断地提高。

苹果12手机的电路图，这是苹果手机第一次支持5G通信，包括sub-6G以及5G mmwave，在这款手机上射频前端模块的数量相对于之前的苹果手机增加了接近一倍，当然，占用的PCB面积也增大了接近一倍，是当时最复杂的手机射频前端系统。

为什么FEM要如此复杂？

年纪大一点的同学，可能对早期的手机深有感触，相同的手机支持的通信制式可能不一样，有的只支持电信版的CDMA，有的仅仅支持移动联通的GSM，有可能移动联通的GSM也不一样，因为工作频段不同。这样有一个好处，就是射频前端的设计就比较简单，仅仅需要将手机信号发射或者接收进来就可以，手机天线也比较简单，就如同我们曾拆解的Nokia3230，一个手机天线就足够覆盖了。

如下图所示，这款手机仅支持GSM900和GSM1800/1900. 注意这个频段还是倍频关系，对于天线共用带来了比较大的便利性。

但是现在呢，下图是iPhone15手机的蜂窝通信频段，5G NR  23个频段，4G FDD-LTE 19个频段，TD-LTE8个频段，3G UMTS/HSPA+/DC-HSDPA 6个频段，以及2G GSM 4个频段。就单单移动通信这块就高达 60个频段，当然这些频段里面有一些重合。

iPhone15支持的移动通信频段是诺基亚3230的20倍，如果采用同样的射频前端方案的话，那么PCB面积也要增加近20倍。试想一下，这样的iPhone15还有人要吗？

（下面尺寸增大20倍）

5G手机除了支持更多的射频频段，还有射频通信的复杂度也在提高，比如在LTE中就引入的载波聚合技术，可以通过共用一些频段来提高单个载波的带宽，从而提高通信速率；又比如多输入多输出MIMO技术，则需要更多的射频通路来实现更好的通信效率。这些新技术的引入无疑又增加了射频设计的复杂度。

所以说，尽管我们作为消费者都希望自己的手机能够通用，功能越强大越好，但是这里面射频工程师的工作量是巨大的，贡献也是巨大的。

这些射频工程师真是了不起，居然卷出了如此复杂的一个无线系统，而且都集成在了小小的巴掌大的手机上。

支持这么多的频段，意味着就要有类似数量的射频通道，虽然天线可以通过天线调谐器来使得更多的射频频段来复用同一个天线，从而减少天线的数量。但是射频链路的复杂度依然非常巨大，并且手机所能够提供的PCB面积也非常有限。

这就多亏了射频集成电路RFIC的发展，RFIC技术能够让复杂的射频链路集成在小小的芯片上。所以，RFIC技术才会成为“卡脖子”的技术难题。

射频前端包括哪些部分？

对于射频前端链路，一般情况下，我们把调制解调器作为基带和射频前端的分界线。对于发射链路，信号从调制解调器出来，然后进入到射频收发器，然后经过放大器，双工器，进入天线，接受链路则相反，天线接收来的微弱信号经过双工滤波之后进入LNA，然后进入到射频接收器，进而在调制解调器中完成信号解调。

下图是三星 Galaxy S21 的 5G 射频前端的简化示意图，要注意下面的包括跟踪，多模功放，以及高低频FEMiD，天线调谐器等这些都是射频前端所必需的模组。

更详细的一份图示来自于Skyworks 工程师的一份论文《RF Front End Module Architectures for 5G》，论文中给出了多个射频前端的框图以及实现方式。

下图是4GLTE、5GNR的一个射频前端框图，包含了各种滤波器，放大器，天线调谐器等模块。

下图是常规架构

下图是4G、5G通信的MIMO实现

下图是低频射频前端模组和高频射频前端模组的合成。

下图是Doherty PA框图

含有包络跟踪的电路架构

而这么复杂的电路以及如此强大的功能都是靠射频集成电路的发展而成为现实。

论文中还给出了MMBPA和SOI的照片。

总结

射频前端的发展进一步促进了移动通信的发展，现在上马的5GA以及将来的6G，都会对射频前端设计提出更进一步的要求。

但是难不是最可怕的，最可怕的是“简单”。因为解决无线通信中的难题，就是我们射频工程师最大的价值所在。

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