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在《5G射频前端模组的前世与今生》中，我们讨论了射频前端模组化这一趋势。在与射频工程师们讨论这一话题的时候，有些射频工程师问到：既然芯片都全集成了，那我们射频人是不是要失业了？我觉得答案肯定是：不会。随着无线通信的发展，射频会越来越复杂，需要射频人掌握的知识范围会越来越广，射频人会越来越紧俏。只不过，系统越来越复杂、集成度越来越高之后，对射频人的能力也提出了更高的要求。射频人除了对射频匹配这项基本功熟悉之外，要把复杂的射频系统玩的转，还必须具备足够强的系统知识。为此，我们借5G手机中的射频系统构成为例，抛砖引玉，与大家讨论射频人日常工作中可能遇到的系统类知识。随着1973年第一部手机被发明，开启了人类的移动通信时代。在过去50年时间里，移动通信以大约每10年为一个周期快速演进，从1G到5G，手机成为了连接万物的智能中枢。
图：移动通信的演进之路
移动终端演进的革命性突破就是无线通信能力。从3G至5G的演进过程中：
- 主要通信频段范围不断展宽，由最高频段的2GHz，已扩展至5.0GHz，在部分毫米波终端中，已经扩展至40GHz；
- 信号带宽不断增加，单载波信号带宽由3G时代的3.84MHz，扩展至100MHz，信号带宽增加近30倍；
无线通信能力的提升要借助射频系统的演进来实现。伴随着通信能力的提升，射频前端方案也变的越来越复杂。下图为3G、4G及5G系统方案的简要框图[1][2]。需要说明的是，为了呈现简洁，以下方案已经做了非常大程度的简化。但依然可以看到，当前5G方案非常复杂。上一节提到的5G射频前端方案已经比较复杂，但在实际应用中，伴随着不同项目间细节需求的差异，实现方式的不同，方案只会更加复杂，常常让人无从下手。下图为较为典型的5G系统方案图示。此方案只是较为简单的标准系统框图，并且做了大量简化。可以看到，即使这样，大量的电路模块还是让系统理解起来产生了困难。为了理解以上系统方案，我们将系统分为如下几个层次讨论：之所以把天线作为第一层来理解，原因有两个，分别是：- 在手机终端中，天线设计往往是受限的，与手机外型设计相关性强
- 手机通信能力的定义，如频段、MIMO数目、CA、EN-DC、多卡共存及通信系统共存等，与天线设计直接相关
5G手机中，一般根据天线的频率特性和系统需求，将天线以LB、MHB及UHB进行分组。各天线的需求和特性如下：
图：天线的分组设计以NSA（n41/77/79与LMH频段做EN-DC）、LTE 4x4
MIMO、NR 4x4 MIMO为约束下，可设计天线如下：可以看到，以上设计中合计需要14根天线，这个天线数目在手机中是很难实现的。这还不包含Wi-Fi，GPS等天线。于是，就需要用到“天线合路器”，将可以合路的天线合路起来。层2：天线合路层
如果每个天线分拆设计，可以得到最为简洁、互不干扰的天线方案。但手机终端中寸土寸金，无法放置这么多天线。并且天线数目增多之后，每个天线得到的净空变小，天线性能也会变差。于是就需要将可以合并的天线进行合并。- 合并带来的隔离度满足系统需求（EN-DC、CA等）
如《5G移动终端天线设计》所述，典型的天线合并设计如下图所示[3]。天线合并主要通过Diplexer来实现。Diplexer中文名一般翻译为天线共用器或者双讯器，是一种将不同频率信号合成后接入天线的装置。在实现上，一般采用LTCC工艺通过设计低通与高通两个滤波器来实现。下图为典型的用于L/MHB与UHB合路的Diplexer框图、LTCC
Diplexer照片，以及频率响应曲线。图：Diplexer的图标、LTCC Diplexer产品照片，以及频率响应在实际应用中，除了Diplexer之外，还有Triplexer（三合一），和Diplexer的功能类似，可以合成三路。Diplexer和Triplexer在相近频带之间的隔离度和带外抑制较差，所以一般只用于频率间隔较大的频段，比如这四种最常用的频率范围：617~960MHz，1710~2200MHz，2300~2690MHz，3300~5000MHz，基本都可以任意组合进行合路。但是有一点要注意：2200MHz（B66
RX）和2300MHz（2300MHz是B40 TRX频点，2305MHz是B30
TX频点，一般北美市场中高端机型有B66+B30 CA需求）由于频率间隔只有100MHz，普通的LTCC Diplexer或者Triplexer带外抑制性能不是太优，一般都用LTCC+SAW（或者BAW）混合工艺实现。还有一点，很多频带间隔更小，比如Wi-Fi 5G 和n79合路，或者Wi-Fi 2.4G和B40（或者B41）合路，这样根本无法用一般LTCC工艺实现，所以另一种形态的器件也诞生了，Extractor （抽取器）。Extractor的功能和Diplexer或者Triplexer一样的，但是每一路都是用SAW或者BAW工艺实现的，这样以保证每一路都有更好的隔离度和带外抑制性能，当然，这样的工艺也会导致Extractor的成本更高，所以一般都是用于中高端设备。天线合路完成之后，就可以结合手机外观进行天线的排布放置。下图为典型的天线放置图例。层3：天线切换层
经过层2的天线合并之后，天线基本上可以固化下来了。但固化下来的天线并不是一成不变的，一些功能需要多天线之间有相互切换的特性。这些功能主要有：智能天线是指发射天线可以进行主/副天线的切换，当一根天线信号不好时，手机信号就可以切换到另外一根天线进行发射。手机因为握持、放置的原因，天线很容易受到影响，智能天线功能可以大大保证发射信号的可靠性。在一些平台中，智能天线切换的功能被称为TAS（Transmit Antenna Selection，发射天线选择）或者ASDiV（Antenna Switch to Diversity）。SRS是Sounding
Reference Signal的缩写，中文名为“探测参考信号”。SRS是利用TDD系统中发射与接收同频互易性，靠发射上行探测信号，来探测中最优的接收路径与接收信道，完成接收性能的优化。与TAS功能一样，SRS也需要用到发射信号在天线间的切换，不同的是，TAS 功能生效后，天线会较长时间驻留在当前天线上，而SRS 是根据协议需求所做的轮发侦听动作，所以在平台应用中，SRS的优先级一般高于TAS。除了TAS、SRS等天线切换外，还有部分功能会临时占用天线。比如，双卡双待方案中两张SIM卡对部分天线的切换使用；或者SUL（Supplementary Uplink，辅助上行）中辅助上行频段借助部分天线完成上行性能的补充。这些都需要用到天线切换的功能。实现天线所连接信号切换的一般是多刀多掷开关，最常见的是DPDT（双刀双掷）开关。DPDT常见的符号表示及其在系统中的位置如下图所示。利用多个DPDT，或者NPNT开关，就可以完成天线切换网络，使射频信号在多个天线间切换。下图为天线切换网络示意图。下图可完成射频信号在四天线之间的SRS轮发功能。
层4：频段开关层
进入5G之后，手机支持的频段数目急剧增加，根据Mobile Expert统计，进入2019年之后，高端手机支持频段数目将达到30个以上[4]。图：手机支持上行频段数目（Mobile Expert, 2022）如此多的射频频段无法直接连接进入天线，也无法进入天线切换网络进行切换。这个时候就需要将这些射频通路先进行一次合路，再接入到天线选择开关、天线合路器、或者直连天线中。通路合路的功能一般通过ASM（Antenna Switch Module，天线开关模组）来实现。在功能上，ASM一般为单刀多掷开关，具体的掷数和分组根据系统方案确定。在连接上，单刀多掷开关的多端口侧连接各频段的发射及接收通路，另一端口端连接后续的天线侧。层5：子路径实现层
到了这一层，5G手机射频系统才拆解到了我们教科书上所学到的射频前端子模块：PA、LNA、滤波器及开关。子路径实现层利用这些子模块，将每个频段的射频通路搭建起来。在通路实现上，根据双工方式的不同，可以分为FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工系统）结构和TDD（Time Division Duplexing，时分双工系统）结构。在5G协议中，以上两种双工方式均有定义，并且在不同频段上做了区分。FDD与TDD系统在实现上的结构如下图所示。另外需要说明的是，由于滤波器带宽较窄带，一般一个频段就需要用到一个滤波器或双工器。而PA和LNA作为有源电路，可以覆盖较宽的频率范围。所以在实际应用中，会将相近频段的PA用一个宽带PA来实现，再用开关分开，接到不同的滤波器或者双工器上，达到节省PA和LNA通路的目的。以中频段Mid Band中的Band1/2/3/34/39频段为例，具体射频通路实现如下图所示。在子路径实现上，主要有“分立方案”和“模组方案”两种形式。分立方案是指PA、滤波器、LNA等各采用不同的芯片进行实现，再在手机板上组合成完整方案。模组方案指的是芯片厂商利用集成化设计整合能力，将PA、LNA、滤波器及开关等子模块采用SiP（System
in Package，系统化封装）的形式整合在一起，达到节省布板面积，优化射频性能的目的[5]。图：分立方案（a）与模组方案（b）实现的射频前端系统其他考虑
基于以上解构，可以将5G射频系统分解如下模块来理解。需要说明的是，以上只是较为标准的系统考虑方式，在实际项目中，还会遇到多频段CA、EN-DC的考量，Wi-Fi、GPS、蓝牙及UWB等共天线的需求，以及要综合考虑的系统干扰等问题，实际系统会比以上示例系统复杂很多。通过以上结构，可以看到不同层的模块有着不同的功能与作用。在具体实现上，一般天线层、天线合路层及天线切换层由手机终端厂商来实现；频段开关层、子路径实现层由芯片厂商实现。不过近年来由于射频前端方案集成度越来越高，一些高集成模组中开始集成天线切换开关，方便系统应用时做开关切换需求使用。过去十年，射频前端不断演进，不管是和天线密切相关的层1至层3，还是与具体通路实现相关的层4与层5，都发生了巨大的变化。在芯片实现侧，不仅有PA、滤波器等各个子电路的性能演进，还出现了各个子模块多种组合带来的方案变化。为了帮助大家了解射频前端发生的变化，把握最新的演进趋势，慧智微将层4至层5中的芯片方案、具体实现做了梳理，详情可参考以下材料：- 有关射频前端方案演进
《从4G到5G，射频前端方案10年之路》 - 有关模组化方案的趋势
《5G射频前端模组的前世今生》 - 有关PA技术的演进
《5G射频PA的架构》
《高效率PA设计：从Class A到Class
J》
《5G射频PA的Load-line与Load-pull》
欢迎系统平台厂商、手机终端厂商射频工程师一起，分享层1~层3的技术及演进。除了射频前端芯片侧一直有各种各样技术频繁更新，随着5G应用的增多，设计一部5G手机还需要我们射频工程师从需求收集、方案评估、设计实现、调试及debug、到量产等每个环节都要深度参与，每个环节都在考验着我们射频人对射频系统性知识的掌握是否扎实，对射频器件及指标理解是否透彻和射频技术经验是否丰富。3G手机开发：总共频段数是个位数，口算即可完成链路预算，主要工作是PCB设计及调试匹配；4G手机开发：单个项目一般十几个频段，较复杂应用场景是DLCA和MIMO，链路预算简单，主要工作是PCB设计及调试匹配和优化MIPI参数；5G手机开发：单个项目二十个频段以上，需支持EN-DC、CA和UL MIMO等场景，链路预算复杂且工作场景繁杂。主要工作是：需求理解、RFFE器件理解、系统框图梳理，链路预算、PCB设计（要考虑很多因素）、单频段性能调试，共存频段性能测试及调试，debug时间长难度大等，整个工作难度及工作量都呈指数级增加。正如5G的愿景所期待，万物互联的智能世界正在到来。而万物互联的智能世界一定是基于无线连接的，移动通信技术由2G演进到5G，再到未来的毫米波通信、卫星通信，射频技术不断在发生变革，无线射频技术是移动终端的核心关键技术。在这个演进过程中，射频工程师的重要性毫无疑问会越来越突显。期待和大家一起，解构射频演进中的系统知识。本文撰写过程中，得到慧智微应用团队大量专业的讨论与分析支持，在此表示感谢！您觉得射频工程师还必须要掌握什么技能，欢迎留言讨论。对于精彩留言，我们将送上3套《2023慧智微射频百科日历》。
[1]. 从4G到5G，射频前端方案演进十年之路, 慧智微，2021
[2].RF Implementation of Multi-mode
Multi-band 5G UE, vivo, 2018
[3].5G移动终端天线设计，林辉等，中国工信出版社，2021，
[4].RF Front Ends for Mobile
Devices, Mobile Expert, 2022
[5].5G射频前端模组的前世今生，慧智微，2021
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