Wi-Fi 6技术及芯片研发调研分析报告之一：无线通信中射频和基带芯片开发及制造工艺

无论通过无线电广播、蜂窝网络（2G/3G/4G/5G），还是Wi-Fi网络，所有无线通信设备都需要射频（Radio Frequency，RF）和基带（Base Band）部分来完成无线信号的收发和处理。对于现代通信，基带信号通常都是指经过数字调制、频谱中心点在0Hz的信号。基带信号的处理由基带芯片完成，一般包括调制解调、信道编解码、信源编解码，以及一些信令处理。所谓调制，就是把需要传输的信号，通过一定的规则调制到载波上，然后通过无线收发器（RF Transceiver）发送出去的过程，而解调就是相反的过程。

射频是一种高频交流变化电磁波，频率范围在300KHz～300GHz之间。频率在300K-300G范围的射频是高频的较高频段，微波频段（300M-300G）又是射频的较高频段。射频技术在无线通信领域中被广泛使用，电视系统、手机和Wi-Fi路由器都采用射频方式收发无线信号。

• 射频器件和射频前端（RFFE）模组

射频器件指的是将无线电信号转换成一定的无线电信号波形， 并通过天线谐振发送和接收的电子元器件，包括接收通道和发射通道两大部分。作为无线通信的核心组成部分，射频前端（RFFE）主要由射频开关（Switch）、射频低噪声放大器(LNA)、射频功率放大器(PA)、双工器(Duplexers)、射频滤波器(Filter)等五大类器件组成。

从信号传输路径来看，可以分为信号接收路径和信号发射路径。

• 接收路径：天线(接收信号)-开关&滤波器-LNA(小信号放大)-射频收发-基带；
• 发射路径：基带-射频收发-PA(功率放大器)-开关&滤波器-天线(发射信号)。

在射频前端（RFFE）组件中，功率放大器主要负责发射通道的射频信号放大。在发射信号时通过PA放大输入信号，使得输出信号的幅度足够大以便后续处理。其工作原理示意图如下：

滤波器负责发射及接收信号的频率选择和滤波，保障信号在不同频率互不干扰地传输。移动设备的滤波器主要采用表面声波(SAW)和体声波(BAW)两种技术制造。双工器负责接收/发送通道的双工切换及射频信号滤波，双工器、三工器、四工器和多路复用器通常采用多个滤波器的组合。

低噪声放大器主要用于接收通道中的小信号放大，其工作原理如下图所示：输入的射频信号被输入匹配网络转化为电压，经过放大器对电压进行放大，同时在放大过程中最大程度降低自身噪声的引入，最后经过输出匹配网络转化为放大后功率信号输出。

射频开关在打开和关闭之间切换，允许信号通过或不通过。可分为单刀单掷、单刀双掷、多刀多掷开关。射频开关的工作原理如下图所示：当射频开关的控制端口加上不同电压时，射频开关各端口将呈现不同的连通性。以单刀双掷射频开关为例，当控制端口加上正电压时，连接端口 1 与端口 3 的电路导通，同时连接端口 2 与端口 3 的电路断开；当控制端口加上零电压时，连接端口 1 与端口 3 的电路断开，同时连接端口 2 与端口 3 的电路导通。

射频前端器件的技术和制造趋势是模组化，即将射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器等两种或者两种以上的分立器件集成为一个模组。目前射频前端模组主要有以下类型：DiFEM（集成射频开关和滤波器）、LFEM(集成射频开关、低噪声放大器和滤波器)、 FEMiD（集成射频开关、滤波器和双工器）、PAMiD（集成多模式多频带PA和FEMiD）。

射频器件开发难度和制造工艺

相比于数字芯片的性能和工艺技术发展，模拟射频芯片的技术进步较为缓慢，其设计难度也非常高。这主要是因为高频电路中存在大量的寄生效应、串扰等因素。模拟集成电路从平面图纸变成实际电路的过程中，需要严格依靠设计师的丰富经验。如何布局、如何消除元件之间的各种负面的影响，兼容不理想的元件，都需要依靠设计师手工来解决。虽然RF射频工程师可以使用一些专门的射频EDA工具，但很多芯片设计工作仍然需要依靠工程师的经验积累。

除设计开发难度大外，射频器件的制造工艺也比较特殊。目前的射频芯片大都采用较为成熟的制造工艺，一般使用砷化镓（GaAs）材料，因为砷化镓的电子迁移速率比硅高5.7 倍，非常适合用于高频电路，砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件。例如，空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT/PHEMT)，在3 V电压下可以有80 %的功率增加效率(PAE)，非常适合无线通讯中长距离、长通信时间的需求。但是，砷化镓生产方式与传统的硅晶圆生产方式有很大区别，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4-6 英寸，比硅晶圆的12 英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品IC成本比较高。

尽管纯硅的CMOS工艺被认为仅适用于数字芯片，而不适用于以模拟电路为主的射频IC设计，但随着CMOS性能的提升、晶圆代工厂在0.25mm以下制程技术的配合、以及无线通信芯片整合的发展趋势下，RF CMOS开始备受关注。采用RF CMOS制程最大的好处是可以将射频、基频与存储器等组件进行高度整合，同时降低组件成本。但是症结仍在于RF CMOS 能否解决高噪声、低绝缘度与Q 值，以及降低制造成本等问题，以满足无线通信射频电路的严格要求。目前采用RF CMOS工艺的射频IC多以对射频规格要求较为宽松的蓝牙和WLAN射频IC。

除了硅和砷化镓材料外，磷化铟（InP）和硅锗（SiGe）等半导体材料也可以用于制造射频器件。而最近几年兴起的第三代半导体氮化镓（GaN）在高频通信领域展示出巨大的发展潜力，特别是5G基站和终端的功放器件，从传统的砷化镓工艺转向以氮化镓为主的宽禁带半导体制造工艺在性能上有很大的提升。随着氮化镓工艺技术的成熟，制造成本将快速下降，更多的射频器件将转向这种制造工艺。

基带芯片的组成和开发难度

基带芯片可以合成即将发射的基带信号，并且解码接收到的基带信号，一般是集成度非常复杂的数字系统级芯片(SoC)。主流的基带芯片支持多种网络制式，包括2G、3G、4G、5G和Wi-Fi等。目前大部分基带芯片的基本结构是微处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP），前者是整颗芯片的控制中心（一般采用Arm处理器内核），而后者主要负责基带处理。

基带芯片可分为五个子模块：CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。

1. CPU处理器对整个移动平台进行控制和管理，包括定时控制、数字系统控制、射频控制、省电控制和人机接口控制等。
2. 信道编码器主要完成业务信息和控制信息的信道编码、加密等。
3. 数字信号处理器主要完成信道均衡和语音编码/解码。
4. 调制/解调器主要完成无线系统所要求的调制/解调方式。
5. 接口部分包括模拟接口、数字接口以及辅助接口三个子块。

基带芯片的研发实现非常难，比通用CPU难度要大得多，特别是蜂窝移动通信得4G/5G基带芯片。开发基带芯片既要有强大的芯片设计能力，又要有深厚的移动通讯能力，还要有足够的专利能力保护自己。此外，企业还要有足够的科技人才和资金支撑。全球范围内同时满足这些条件的企业并不多，目前有能力开发5G基带芯片的厂商只有高通、联发科、华为、三星和紫光展锐。就连英特尔都无力开发出有竞争力的5G基带芯片，整块5G通信业务部门卖给了苹果，而到现在苹果的5G基带芯片还在研发中，而5G iPhone不得不继续采用高通的基带芯片。