5G 时代射频芯片与前端架构深度揭秘：多模多频的挑战与突破
5G 时代射频芯片与前端架构深度揭秘：多模多频的挑战与突破
在通信技术飞速发展的当下，我们的生活已被各类无线设备紧密环绕。从便捷的智能手机到智能穿戴设备，从高速运转的工业物联网设备到智能家居系统，无线通信的身影无处不在，而射频芯片与射频前端则是这些设备实现高效通信的核心关键。接下来，让我们一同深入探究其背后的奥秘。
随着 LTE 这一 3G 后续演进技术的兴起，以其高数据速率、低时延和灵活的带宽配置等显著优势，成为了下一代移动通信的明确发展方向。众多运营商纷纷投身于 LTE 网络的建设与投资，然而，在其网络逐步部署的过程中，全球运营商面临着 LTE 网络与现有多网长期并存的复杂局面。这就使得多模多频段终端成为市场过渡阶段的必然之选，以确保业务的连续性和国际漫游的顺畅。例如，中国移动在 TD - LTE 引入后，终端至少需支持 TD - LTE、TD - SCDMA、GSM 三种模式及八个频段，并且为实现国际漫游，还需进一步支持 FDD LTE 等模式及相应频段。
在这样的多模多频段需求背景下，终端产品的实现面临着诸多严峻挑战。无线通信模块主要由芯片平台、射频前端和天线三大部分构成。基带芯片主要负责物理层算法及高层协议处理，是实现多模互操作的关键；射频芯片则承担着射频信号与基带信号的相互转换重任；而射频前端涵盖了 SAW 滤波器、双工器、低通滤波器、功放、开关等多种器件，它们各司其职，共同保障通信的质量与效率。
基带芯片方面，模式的增加虽会使成本略有上升，但频段增加时，仅需软件升级，对其面积和成本影响较小。不过，TD - LTE 和 FDD LTE 虽在标准协议层面存在一定差异，但共基带芯片已被众多厂家实现。当前，基带芯片厂商面临的主要挑战是对 TD - SCDMA 模式的支持。由于具备 TD - SCDMA 研发经验的厂商在 TD - LTE 芯片产业链中占比较少，为增强中国移动多模终端产品的市场竞争力，整合 TD - LTE 和 TD - SCDMA 产业优势资源、推动更多厂家推出含 TD - SCDMA 的多模基带芯片产品已成为当务之急。
射频芯片的架构包含接收通道和发射通道。对于 GSM 和 TD - SCDMA 模式，新增频段通常会增加射频芯片的接收通道数量，而对于 LTE 频段，由于其频谱相对零散且需支持国际漫游，新增频段会使接收通道数量显著增加。这就导致了射频芯片面临成本和体积上升的问题。为缓解这一问题，虽可在一个接收通道支持相邻多频段和多模式，但这又会使射频前端的开关器件增加，从而影响接收性能，提升成本和体积。因此，如何巧妙平衡射频芯片与射频前端在体积和成本上的矛盾，成为了终端设计的关键所在。
射频前端在 TDD 系统和 FDD 系统中分别由不同的器件构成。多频段数量的增加对其影响显著，首先是射频滤波器件，无论是 TDD 系统中的 SAW 滤波器和低通滤波器，还是 FDD 系统中的双工器，其数量都会随频段增加而线性递增。LTE 系统的接收分集特性使得在 LTE 上增加频段对滤波器件数量的影响更为突出，大量的分立滤波器件及外围匹配电路严重影响了终端设计的集成度和市场竞争力。功放方面，不仅受多频段影响，还与多模相关，不同模式下相同频段的功放架构不同，且受带宽和效率限制，支持多模多频段需多个功放，这无疑增加了成本和体积。开关的复杂度与射频前端的通道数量紧密相连，LTE 频段的增加会使开关数量和复杂度上升，进而导致接收性能下降、PCB 占板面积增加和成本上升。
尽管面临诸多挑战，但随着技术的不断进步，射频领域也在持续创新发展。例如，一些新型的射频前端芯片不断涌现，如采用 CMOS 工艺的高集成度单芯片，像 AT2401C 和 AT2402E 等，它们内部集成了功率放大器、低噪声放大器和收发模式切换开关等关键模块，在一定程度上提升了性能并降低了成本。同时，行业内也在积极探索新的架构和解决方案，如高通的 RF360 射频前端解决方案，实现了单个移动终端支持全球所有 4G LTE 制式和频段的设计，为行业发展带来了新的思路和方向。
射频芯片和射频前端作为无线通信的核心组件，在多模多频段的发展趋势下虽面临挑战，但也在不断创新突破。从基带芯片的多模支持，到射频芯片的通道优化，再到射频前端的器件集成与架构创新，各个环节都在持续演进。未来，随着 5G 及物联网技术的进一步发展，我们有理由相信，射频技术将在不断解决问题的过程中实现更大的飞跃，为我们带来更高效、更便捷的无线通信体验，推动整个通信行业迈向新的高峰。