手机射频电路原理

射频电路

  射频电路是手机通信最核心的模块,一般分为射频部分和基带部分

  射频部分常定义由接收通路、发射通路、本振电路三大电路组成。射频部分包括天线(电磁波/交流电流信号转换)、匹配电路(与天线进行匹配得到最佳射频性能)、射频连接器(天线座子,一般用于传导测试)、双工器(将发射和接收讯号相隔离,保证接收和发射都能同时正常工作。它是由两组不同频率的带阻滤波器组成,避免本机发射信号传输到接收机)、射频收发器(主要进行滤波SAW、放大LNA、混频MIXER、鉴相鉴频)、IQ调制器(用于调制解调)、PA(功率放大)等模块。

  基带部分(Baseband)是手机中的一块电路,里面加载了通信模块的核心代码文件,负责完成移动网络中无线信号的解调、解扰、解扩和解码工作,并将最终解码完成的数字信号传递给上层处理系统进行处理。基带的不同会造成信号效果的不同。因为各地、各网络实际情况不同,需要大家自己选择适合自己的基带。

手机通用的接收与发射流程

   接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放管(低噪声放大器)、中频集成块(接收解调器)等电路组成。信号接收流程如下:

  信号接收流程分

   发射电路由中频内部的发射调制器、发射鉴相器、发射压控振荡器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、发射互感器等电路组成。信号发射流程如下:

  信号发射流程

基本射频电路框图

  射频电路框图

低中频收发器(Transceiver)逻辑图

    低中频收发器逻辑图

射频电路原理框图

  以联发科MT系列芯片为例,射频部分的整体电路框图,不包含基带部分。

    射频电路原理框图

射频电路的主要元器件

  射频电路包含天线、匹配电路、射频连接器、双工滤波器、声表面滤波器、射频收发信机、功率放大器等元器件。

天线部分

  天线结构:由手机天线分外置和内置天线两种;由天线座、螺线管(铜线)、塑料封套组成。

    天线结构

  天线作用:接收时把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号;发射时把功放放大后的交流电流转化为电磁波信号。

天线匹配电路

  主要是完成主板与天线之间的功率匹配,以使天线的效率尽可能高。L理想状态Source 端的输出阻抗为50Ω,传输线的阻抗为50Ω,Load端的輸入阻抗也是 50Ω,一路50Ω是最理想的。但是板极制程在Trace的线宽,以及对地间距,一定會有误差,这导致Trace的阻抗未必是50Ω,所以要靠Matching把阻抗Tune到50Ω。所以通常就算对于阻抗控制再有信心,也會留Dummy pa以被不时之需。

    匹配电路

射频连接器

  又叫同轴连接器或射频开关,作用主要是为手机的测试提供端口。其内部是簧片的接触结构,相当于一个机械开关,通常状态下开关处于闭合状态,当射频线探头插入射频连接器时,簧片一端将与主板的天线通路断开,而与射频线探头接触,此时手机与测试仪器之间就通过射频连接器与射频线进行信号的传输。

    射频连接器

双工滤波器

  双工滤波器是一种无源器件,内部包括发射滤波器和接收滤波器,它们都是带通滤波器。作用是将接收射频信号与发射射频信号分离,以防止强的发射信号对接收机造成影响。由于发射信号总是比接收信号强,而强信号对弱信号有抑制作用,会使接收电路被强信号阻塞,使接收的弱信号被淹没,引起接收灵敏度下降。所以接收滤波器就是阻止发射信号串人接收电平,当然,也有一并拒收天线接收到的接收频段以外的信号;而发射滤波器则拒绝接收频率段的噪声功率及发射调制信号。

声表面滤波器

  是一个带通滤波器,只允许接收频段的射频信号进入接收机电路,其它频段的信号将会得到抑制。

    声表面滤波器
  频率传输特性:

    频率传输特性

功率放大器

  RF3146是RFMD公司生产的第三代功率放大器(PA)模块,集成了整合功率控制技术的高功率(GSM35dB、DCS与PCS 33dB)、高效率(GSM 60%、DCS/PCS 55%)的射频功放模组,内置方向耦合器、检波二极管、和专用功率控制集成电路(ASIC),适用于GSM850、EGSM900、DCS、PCS频段,输出功率控制范围达到50dB。

射频收发信机

  射频收发信机是射频电路的核心部件,也叫收发器,主要完成射频信号的调整与解调。内部结构主要包括5个方面:

接收机(Receiver)

  提供射频信号的下行链路,将射频信号通过放大、解调转变成IQ信号供基带芯片进行处理。接收机主要包括四频段(GSM850、GSM900、DCS1800、PCS1900、、、)差分输入低噪声放大器(LNA)(输入阻抗200欧姆,通过LC网络与SAW FILTER匹配,增益控制动态范围35dB)、2个RF正交混频器、1个集成信道滤波器(滤除干扰、阻塞和镜像)、2个可编程增益放大器(PGA)、正交第2混频器和末级低通滤波器。

低噪声放大器(LNA)

  作用是将天线接收到的微弱的射频信号进行放大,以满足混频器对输入信号幅度的需要,提高接收机的信噪比。

混频器(MIX)

  是一个频谱搬移电路,它将包含接收信息的射频信号转化为一个固定频率的包含接收信息的中频信号。它是接收机的核心电路。混频电路又叫混频器(MIX)是利用半导体器件的非线性特性,将两个或多个信号混合,取其差频或和频,得到所需要的频率信号。在手机电路中,混频器有两个输入信号(一个为输入信号,另一个为本机振荡),一个输出信号(其输出被称为中频IF)。当混频器的输出为射频信号频率与本振信号之和,且比信号频率高时,所用的混频器被称为上边带上变频;当混频器的输出信号为信号频率与本振信号之差,且比信号频率高时,所用的变频器被称为下边带上变频。

  在接收机电路中的混频器是下变频器,即混频器输出的信号频率比输入信号频率低;在发射机电路中的混频器通常用于发射上变频,它将发射中频信号与UHFVCO(或RXVCO)信号进行混频,得到最终发射信号。

射频振荡器(或本地振荡器,RFVCO)

  该电路产N段不带任何信息的本振频率信号;送入中频内部,接收时对接收信号进行解调;发射时对发射基带信息进行调制和发射鉴相。

  振荡电流是一种大小和方向都随周期发生变化的电流,能产生振荡电流的电路就叫做振荡电路。其中最简单的振荡电路叫LC回路。

中频滤波器

  在电路中只允许中频信号通过,主要用来防止邻近信道的干扰,提高邻近信道的选择性。

发射机(Transmitter)

  提供射频信号的上行链路,将IQ基带信号调制成发射射频信号。包含2个发射压控振荡器(TXVCO)、缓冲放大器、下变频混频器、正交调制器、带Charge Pump和环路滤波器的鉴相器(PD),另一路分频器和环路滤波器用于正交调制器与下变频混频器完成产生合适的TX调制中频。

频率合成器

  将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术称为频率合成,或频率综合技术。移动电话通常使用的是带锁相环的频率合成器,原理框图见下:

    频率合成器

参考振荡器

  在频率合成乃至在整个手机电路中都是很重要的。在手机电路中,特别是GSM 手机中,这个参考振荡器被称为基准频率时钟电路,它不但给频率合成环路提供参考信号,还给手机的逻辑电路提供信号,如该电路出现故障,手机将不能开机。

  手机电路中的参考振荡都使用晶体振荡电路。而且,大多数手机中使用的是一个基准频率时钟VCO 组件。在GSM 手机中,这个组件输出频率是13 MHz/26MHz,有时它被称为13MHz/26MHz晶体。事实上它是一个VCO 组件,13MHz/26MHz晶体及VCO 电路中的晶体管及变容二极管等器件被封装在一个频率罩内。13MHz/26MHz振荡电路受逻辑电路提供的AFC(自动频率控制)信号控制。由于GSM 手机采用时分多址(TDMA)技术,以不同的时间段(Slot,时隙)来区分用户,故手机与系统保持时间同步就显得非常重要。若手机时钟与系统时钟不同步,则会导致手机入不了网。

鉴相器(PD)

  是英文Phase-Detector的缩写。它是一个相位比较器,是一个相差—电压转换装置,可将VCO 振荡信号的相位变化变换为电压的变化。鉴相器输出的是脉动直流信号,这一脉动直流信号经LPF 滤除高频成分后去控制VCO 电路。

低通滤波器(LPF)

  是英文Low Pass Filter 的缩写。低通滤波器又被称为环路滤波器,它是一个RC 电路,位于鉴相器与VCO 电路之间。因鉴相器的输出不仅有控制信号,还有一些高频谐波成分,这些谐波将影响VCO 电路的工作,低通滤波器就是要把这些高频成分滤除。

压控振荡器(VCO)

  是英文Voltage Control Oscillator 的缩写。压控振荡器是一个电压—频率转换装置,可将鉴相器PD 输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。

稳压器(Regulators)

  作为芯片内部的稳压器,将输入电池电压转换成内部电路所需的工作电压。