深度分析射频电路的原理及应用

什么是射频电路

射频简称RF，射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于1000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。

射频电路指处理信号的电磁波长与电路或器件尺寸处于同一数量级的电路。此时由于器件尺寸和导线尺寸的关系，电路需要用分布参数的相关理论来处理，这类电路都可以认为是射频电路，对其频率没有严格要求，如长距离传输的交流输电线(50或60Hz)有时也要用RF的相关理论来处理。

射频电路方框图

射频电路的原理

射频电路的原理我们以普通手机射频电路来详细的介绍：

1

接收电路的结构和工作原理：

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(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到逻辑音频电路进一步处理。

电路分析：

电路结构

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。早期手机有一级、二级混频电路，其目的把接收频率降低后再解调(如下图)。

接收电路方框图

2

发射电路的结构和工作原理

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。

电路分析：

电路结构。

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。(如下图)

3

本振电路的结构和工作原理：

（本机振荡电路、锁相环电路、频率合成电路）

该电路产生四段不带任何信息的本振频率信号(GSM-RX;GSM-TX;DCS-RX;DCS-TX);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。

电路分析：

电路结构：手机本振电路有四种电路结构。

a) 由频率合成集成块、接收压控振荡器(RX-VCO)、13M基准时钟、预设频率参考数据(SYN-DAT;SYN-CLK;SYN-RST;SIN-EN)，组成(早期手机多用;如下图)。

b) 把频率合成集成块集成在中频内部，结合外接RX-VCO组成(中期机、诺基亚机多用;(如下图)

c) 把频率合成集成块、接收压控振荡器(RX-VCO)集成一体，称本振集成块或本振舐IC(中期机、三星机多用;如下图)。

d) 把频率合成集成块、接收压控振荡器(RX-VCO)集成在中频内部(新型机、杂牌机多用;如下图)。

值得注意：无论采用何种结构模式，只是产生的频率不同;其工作原理，产生的频率信号的走向和作用都一样的。

射频电路的应用

RF(Radio Frequency)技术被广泛应用于多种领域， 如：电视、广播、移动电话、雷达、自动识别系统等。专用词RFID(射频识别)即指应用射频识别信号对目标物进行识别。

RFID的应用包括：

1、ETC(电子收费)

2、 铁路机车车辆识别与跟踪

3、 集装箱识别

4、贵重物品的识别、认证及跟踪

5、 商业零售、医疗保健、后勤服务等的目标物管理

6、出入门禁管理

7、动物识别、跟踪

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一文看懂GaN在射频和电子中的应用

来源：内容来自「钜亨网」，谢谢。

由于2 月13 日小米在新品发表会中，除了推出小米10 系列外，更宣布采用氮化镓(GaN) 作为原料的充电器，一时间原本GaN 在射频领域热烧的话题，快速延烧至电池产业。

GaN 是极为稳定的化合物，又是坚硬和熔点高的材料，其熔点为高达1700℃。同时，GaN 有较高的电子密度和电子速度，其高电离度，也是在三五族化合物中最高的，因此受到高频、高功率类别电子产品的青睐。

资料来源: Qorvo

GaN 目前主要的应用就在微波射频、电力两大领域。具体而言，微波射频包含5G 通讯、雷达预警、卫星通讯等应用；电力则包含智慧电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等。

射频领域

GaN 的射频零组件具有高频、高功率、较宽频宽、低功耗、小尺寸的特点，能有效在5G 世代中节省PCB 的空间，特别是手机内部空间上，且能达到良好的功耗控制。

在5G产品中，GaN主要应用在Sub-6GHz基地台和毫米波(24GHz以上)的小基地站。Yole预估GaN射频市场将从2018年的6.45亿美元成长2024年的20亿美元，CAGR达21%，这主要受电信基础设施及国防两大领域所推动，而卫星通信、有线宽频和射频也有一定的贡献。

资料来源: Yole

在要求高频高功率输出的卫星通讯中，市场预估GaN 将逐渐取代GaAs 成为新的解决方案。而在有线电视和民用雷达市场与LDMOS 或GaAs 材料相比，GaN 的成本仍高，短期内大量取代的情况不易见。

在GaN 射频领域主要由美、日两国企业主导，其中，以美商Cree 居首，住友电工、东芝、富士通等日商紧追在后，中国厂如三安光电、海特高新、华进创威在此领域虽有着墨，但与国际大厂相比技术差距大。

电力

在600 伏特左右电压下，GaN 在电源管理、发电和功率输出方面具有明显的优势，这使GaN 材料的电源产品可更为轻薄、高效率，且GaN 充电插头体积小、功率高、支援PD 协定，有机会在未来统一NB 和手机的充电器市场。

27w GaN 充电插头(左) VS Apple 30W 充电插头(右)(图片: 充电头网)

因为材料特性的差异，硅在高于1200V 的高电压、大功率具有优势，而GaN 制的产品更适合40～1200V 的应用，特别是在600V/3KW 能发挥最大优势。因此，在伺服器、马达驱动、UPS 等领域，GaN 可以挑战传统MOSFET 或IGBT 的地位。

资料来源: Infi neo n

Yole预计2024年GaN电源市场产值将超过3.5亿美元，CAGR达85%，当中，GaN快充是推动产业高成长的主要力量。此外，GaN还有望渗透进入汽车及工业和电信电源应用中。

从生产端来看，GaN 功率半导体已开始少量出货，但由于其价格过于昂贵，是影响现阶段发展受限的主要因素。价格不亲民是因为目前GaN 制芯片仍以6 吋及以下的晶圆厂生产为主，尚未显现规模效应，若未来成本能再大幅下降，市场需求就会爆发。

在GaN功率领域中，市场主要由Infi neo n、EPC、GaN Systems、Transphorm，及Navitas等公司主导，其产品是由TSMC，Episil、X-FAB进行代工。中国新兴代工厂中，三安光电和海特高新具有量产GaN功率零组件的能力。

虽然GaN 有着许多优势，但因为产品价格偏高，这是现在消费性电子产品未大量采用的主因。反而在卫星、军事这类对价格敏感度低的产业，GaN 零组件对其有极大的吸引力。

不过，从意法半导体与台积电之间的合作可以看出，在5G 世代中，GaN 已经是不可缺少的重要原料，特别是在车电领域(与手机等消费性电子相比，价格敏感度低)，将是国际大厂抢进重点领域之一。

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