射频传感器原理 射频芯片，5G手机里的一颗明珠
射频芯片，5G手机里的一颗明珠
据统计，2020年第四季度，我国手机市场继续由4G向5G过渡，5G手机产品款型数占比已达六成。2021年全球智能手机出货量将达约 13.55 亿台，其中 5G 机型将有 5.39 亿台。对于制造而言压力着实不小，5G手机性能的好坏取决于内部的两大芯片——射频（RF）和基带。下面就带您了解一下射频芯片的奥秘。
简单来说，射频芯片的作用就是信息发送和接收。为什么说它如此重要？如果没有它，你的手机就是好几千块钱的大铁块。
先从射频说起，射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波，是可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流 (大于10K);射频(300K-300G)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，有线电视系统就是采用射频传输方式。
而射频芯片指的就是将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形，并通过天线谐振发送出去的一个电子元器件，它包括功率放大器、低噪声放大器和天线开关。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。
这是射频电路的原理图，射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分：
接收时，天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波，高频放大后，送入中频内进行解调，得到接收基带信息，送到逻辑音频电路进一步处理。
发射时，把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频，用发射压控振荡器TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。经功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。
对于现有的GSM和TD-SCDMA模式而言，终端增加支持一个频段，则其射频芯片相应地增加一条接收通道，但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。对于具有接收分集的移动通信系统而言，其射频接收通道的数量是射频发射通道数量的两倍。这意味着终端支持的LTE频段数量越多，则其射频芯片接收通道数量将会显著增加。打个比方，若新增 M个GSM或TD-SCDMA模式的频段，则射频芯片接收通道数量会增加M条；若新增M个TD-LTE或FDD LTE模式的频段，则射频芯片接收通道数量会增加2M条。LTE频谱相对于2G/3G较为零散，为通过FDD LTE实现国际漫游，终端需要支持较多的频段，这就导致了射频芯片面临成本和体积增加的挑战。
其实设计一个良好的射频芯片还是很头疼的。首先射频芯片设计需要的理论知识非常多，很多设计理论甚至被人认为“玄乎”，而且射频芯片的设计存在各种指标的折中均衡，什么样的折中是最佳的？怎样折中是取决于产品的实际应用要求，没有定论。再者，很多射频芯片的指标要求都是要挑战工艺极限，这就需要很多创新性电路结构，例如噪声抵消、交调分量抵消、为了提高功放效率采用的动态偏置，有时为了降低功耗也是想尽了办法。
硬性困难还是工艺及封装。射频芯片最重要的指标是噪声系数和线性度，这两个指标和工艺完全相关，例如CMOS工艺衬底上就会耦合过来各种噪声干扰，CMOS器件的线性度也很差，这种难题是硬伤，如不解决好，只能通过合适的电路结构或者采取一些无法定量分析的隔离措施来缓解问题，这就存在很多不确定性了。除此之外，还有寄生参数、寄生电阻、电容和频率之间的权衡。
最后的封装亦是一大难点。小小的一根封装引线就是1nH以上的电感，这些电感对射频芯片的影响实在是太大了。在成本可控的前提下尽量采用先进的封装形式，减少封装带来的引线电感。
对于5G射频芯片，一方面频率升高导致电路中连接线的对电路性能影响更大，封装时需要减小信号连接线的长度;另一方面需要把功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器封装成为一个模块,一方面减小体积另一方面方便下游终端厂商使用。为了减小射频参数的寄生需要采用Flip-Chip、Fan-In和Fan-Out封装技术。可以看出，到5G时代，高性能Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out结合Sip封装技术会是未来封装的趋势。
玩家盘点
成本昂贵，95%的市场被欧美厂商把持
通常情况下，一部手机主板使用的射频芯片占整个线路面板的30%-40%。据悉，一部iPhone 7仅射频芯片的成本就高达24美元，有消息称苹果今年每部手机在射频芯片上的投入将历史性地超过30美元。随着智能手机迭代加快，射频芯片也将迎来一波高峰。
目前，手机中的核心器件大多已实现了国产化，唯独射频器件仍在艰难前行。据悉，全球约95%的市场被控制在欧美厂商手中，甚至没有一家亚洲厂商进入顶尖行列。简单盘点一下在这个圈子里的国内外玩家：
国内
信维通信，产品线已从天线向射频隔离、射频连接器、射频材料扩展；
硕贝德，在5G天线及射频前端模组上的开发处于国内领先水平；
麦捷科技，片式电感及LTCC射频元器件的龙头厂商。
长盈精密，国内最优秀的射频前端集成电路设计和制造商之一，拥有两大核心技术，分别为基于GaAs pHEMT工艺的功率放大器与包络跟踪电源系统。
顺络电子，国内电感和射频元件龙头。
唯捷创芯，国内最大射频IC设计公司。
中兴通讯，全球领先的综合通信解决方案提供商。
紫光展锐，产品涵盖2G/3G/4G/5G移动通信基带芯片、物联网芯片、射频芯片、无 线连接芯片、安全芯片、电视芯片。
国外
Skyworks（思佳讯）
射频元件龙头，苹果射频供应商，主营方向为射频前端产品，包括射频功率放大器即RF PA、各种滤波器、混频器、衰减器等。
Qorvo（RFMD与TriQuint）
Qorvo 由 RFMD 和 TriQuint 合并而成。兼具 RFMD 和 TriQuint 的技术、集体经验和智慧资源，是移动、基础设施和国防应用领域可扩展和动态 RF 解决方案的全球领导者。
TriQuint（超群半导体，与RFMD合并）
Murata（村田）（收购Renesas的功率放大器业务）：村田主营产品有陶瓷电容、陶瓷滤波器、高频零件、无线传感器等。前阵子，村田宣布收购意大利的无线射频（RFID）技术新创企业ID-Solutions，加速物联网布局。
Epcos，世界上最大的电子元器件制造商之一，产品主要市场在通信领域、消费领域、汽车领域及工业电子领域。
此外还有恩智浦（NXP）、科锐、Macom、美信半导体、ADI、英飞凌、Avago(收购博通有线/无线芯片业务)、博通集成、高通、三星…
无磁传感原理简介
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应环球表计邀稿，写了一篇有关无磁传感方面的科普性质的介绍，以便让大家了解近年水表圈热议的无磁到底是怎么回事。
以本人认识，从何谓无磁传感和无磁传感原理两部分来阐述，希望有助读者于理解该技术的基本原理。
何谓无磁传感
目前流体计量中所指的无磁传感是相对于磁体采样而言的定义，是种约定俗成的说法。具体来说，有磁采样是指机械水表中指示盘的旋转指针上，安装了小磁铁，采样是外部用干簧管或霍尔元件实现。无磁就是指旋转指针没有这种小磁铁，用不受磁影响的金属片替代磁铁，这种采集金属旋转转动及方向的技术，被称为无磁采样。
金属片的材质可以用不锈钢，铜等不受外部磁场影响的金属。
无磁传感原理介绍
无磁传感的基本原理包含 ：金属片上的傅科电流原理 ；产生电流的能量提供源 ；能量提供源头做采样判断。
傅科电流（涡流）
块状金属处于变化磁场中或相对于磁场运行时，在金属体内部形成感应电流，这种电流的流线呈涡旋状闭合回线，所以叫涡流。由于该现象于 1851 年由法国物理学家傅科首先发现故又称为傅科电流（Foucault current）。
涡流的产生原理如图所示，线圈中的交变电流产生磁场，这个磁场从圆心径向分布，如图所示。磁力线是呈伞形分布的 ；而涡流则是与磁力线垂直、呈圆周分布的，无数的涡流就形成许多同心圆。实际上涡流是电磁感应现象的一种表现形式，都是从法拉第最早发现电磁感应原理派生出来的现象。
涡流中的趋肤效应：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的 “ 皮肤 ” 部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应（skin effect）。
水表中的部分金属化指针，就是在变化磁场中做旋转运动。部分金属化指针位置与磁力线垂直，转动过程中还伴有在转动轴心的上下位移。
结论一 ：目前采金属片旋转的方式均为该原理，也有把此无磁称为“抗磁”，实际上全都是金属片垂直切割交变磁场方式。
结论二 ：与金属片厚度无关，与金属片面积有关。
线圈 —— 金属片涡流能量提供源
交变磁场由线圈提供，线圈的形式可以是有铁氧体磁芯的电感、空心线圈、印制板 PCB 线圈等形式。线圈与电容组合成的 LC 谐振电路为金属片产生的涡流提供能量来源。线圈上的谐振频率和电压幅值由电路 LC 等参数决定，有兴趣读者可自查该方面资料。
其中磁芯线圈不抗外部强磁，尽管在无外强磁情况下也能检测金属片旋转，但属于笔者称谓之 “ 假无磁 ”。
从线圈即能量提供端采样判断金属旋转及位置
线圈作为金属片上涡流的能量来源，如果可以提供足够能量的话，是另外一种应用领域 ：加热产品。如家用的电磁炉，炼钢所用的电磁炉等等，都是利用了电涡流原理。
应用于水表流体中的线圈，其提供的能量有限，正是由于弱电源的原因，当金属片垂直于线圈即交变磁力线时，能量传递到金属片的瞬间，线圈自身的谐振幅值被拉垮，即明显的振荡衰减现象。这种明显的振荡衰减现象可被电路捕获，送入单片机中做出旋转和方向的判断。可以说无磁采样是电涡流原理在流体采样领域的特殊应用。
图示中红色波形为电感线圈位于金属片位置，蓝色波形部分为电感线圈位于非金属位置。红色部分明显谐振衰减。理解了这点可以回答关于无磁采样的误区：
误区一：无磁是收发式或者是雷达式。无磁采样就是利用了线圈谐振时电压衰减并被捕获，不是通信射频发送与接收的概念。
误区二：无磁功耗会很高？无磁功耗来源于激励瞬间时功耗，LC 振荡时电流在电感 L 与电容 C 之间流动，不会再有功耗的增加了。是目前已知的采样手段中功耗最低的方式之一。
对于无磁采样的原理，可简单总结为几点，方便理解；
金属片上产生的涡流需要能量 ；能量提供方的谐振电压被衰减；衰减的电压能被检测。
作者简介
张弦，从事电力仪表行业产品开发技术管理，国际市场开拓等工作近二十年。原就职于长沙威胜电子有限公司，2019 年创业成立长沙铨准电子科技有限公司，致力于解决电，流体底层传感计量产品，面向全行业提供精准计量的前端模块。
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