手机 ， 作为移动互联网时代的标配 ， 已经走进了我们每个人的生活 。 有了它 ， 我们可以随心所欲地聊天、购物、追剧 ， 享受美好的人生 。
正因为手机如此重要 ， 所以人们对相关技术的发展十分关注 。 每当有新品发布 ， 媒体会进行长篇累牍的报道 ， 社交网络上也会掀起热烈的讨论 。
然而 ， 人们对手机的关注 ， 往往集中在CPU、GPU、基带、屏幕、摄像头上 。 有那么一个特殊的部件 ， 对手机来说极为重要 ， 却很少有人留意 。
是哪个部件呢？没错 ， 它就是我们今天文章的主角——射频 。
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▉ 什么是射频
射频 ， 英文名是Radio Frequency ， 也就是大家熟悉的RF 。 从字面上来说 ， Radio Frequency是无线电频率的意思 。 射频信号 ， 则特指频率范围在300KHz~300GHz的无线电磁波 。
大家都知道 ， 手机之所以能够和基站进行通信 ， 靠的就是互相收发无线电磁波 。
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手机里专门负责收发无线电磁波的一系列电路、芯片、元器件等 ， 被统称为射频系统 ， 简称“射频”（下同） 。
射频和基带 ， 是手机实现通信功能的基石 。 如果我们把手机与外界的通信看作是一项“快递服务” ， 那么 ， 基带的职责是对数据进行“打包/拆包” 。 而射频的职责 ， 则是将“包裹”通过指定的无线电频段发射出去/接收下来 。
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示意图：左边是基带 ， 右边是射频
射频到底长什么样？下面这张 ， 是某品牌手机的主电路板正反面布局图 。
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（图片来自ABI Research）
图中 ， 黄色圈出的部分 ， 全部属于射频 。 可以看出 ， 射频元件在手机构造中 ， 占据了不小的比例 。
从架构上来看 ， 一套完整的射频系统包括射频收发器、射频前端、天线三个部分 。 射频前端又包括功率放大器、包络追踪器、低噪声放大器、滤波器、天线开关、天线调谐器等多个组件 。
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射频的架构
射频前端各个组件的作用并不复杂 。 例如 ， 放大器 ， 就是把信号放大 ， 让信号传得更远；滤波器 ， 是把杂波去掉 ， 让信号更 “纯净”；天线开关 ， 用于控制天线的启用与关闭；天线调谐器 ， 主要作用是“摆弄”天线 ， 获得最好的收发效果……
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数量众多的射频组件 ， 相互配合 ， 分工协作 ， 就是为了完成“临门一脚” ， 把基带打包好的数据 ， “biu~biu~biu~”地发射出去 。
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如果射频设计不合理 ， 元器件性能落后 ， 那么 ， 将直接影响手机的无线信号收发能力 ， 进而影响手机的通信能力 。 具体表现出来 ， 就是无线信号差 ， 通信距离短 ， 网络速率慢 ， 等等 。
换言之 ， 手机的射频能力不行 ， 就好比汽车的动力不足 ， 就算其它功能再花哨 ， 也无法被用户所接受 。
所以 ， 手机厂商在研发设计手机时 ， 通常都会在射频方面下足功夫 ， 反复推敲并进行测试验证 ， 才敢推出最终产品 。
▉ 5G射频的挑战
如今 ， 我们昂首迈入了5G时代 。 相比传统4G ， 5G的射频系统有变化吗？
答案是肯定的 。 不仅有变化 ， 而且是巨变 。
5G相比4G ， 在性能指标上有了大幅的提升 。 5G的eMBB（增强型移动宽带）场景 ， 将手机速率提升至千兆级甚至万兆级 ， 分别是早期LTE速率（100Mbps）的10倍/100倍 。
2G/3G/4G ， 加上5G ， 加上MIMO（多天线技术） ， 加上双卡双待 ， 手机的天线数量和支持频段翻倍增加 。 4G早期只有不到20个频段组合 。 相比之下 ， 5G有超过10000个频段组合 ， 复杂性堪称恐怖 。
与此同时 ， 为了确保用户愿意升（tāo）级（qián） ， 5G手机的厚度和重量不能增加 ， 功耗不能增加 ， 待机时长不能减少 。
换做你是手机厂商 ， 你会不会抓狂？
【科技|一文看懂5G射频的“黑科技”】
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所以说 ， 5G手机的射频 ， 必须重塑自我 ， 大力出奇迹搞创新 。
到底该如何解决射频系统的设计难题呢？高通提出了一个宏观的思路 ， 直接提供“完整的调制解调器及射频系统” 。 通俗理解 ， 就是把基带、射频收发器、射频前端、天线模组、软件框架等 ， 全部都做好 ， 给厂商一套完整的方案 。
也就是说 ， 5G手机等终端元器件设计的理念 ， 必须摒弃以往“东市买骏马 ， 西市买鞍鞯 ， 南市买辔头 ， 北市买长鞭”专注于单个元件的思路 ， 转而采用“打包设计”的一体化系统级解决方案 。
例如 ， 以前是A厂造基带 ， B厂造射频 ， C厂造天线 ， 然后手机D厂自己捣鼓如何整合和对接 。 现在 ， 改成有实力的大厂直接把基带、射频和天线等一起打包设计好 ， 然后交给手机厂商 ， 拿了就能快速使用 。
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系统级集成 ， 是5G基带和射频复杂度大幅提升的必然结果 。
这就好比是火车 。 以前绿皮车的车速慢 ， 车厢和车头可以分开设计、制造 ， 然后拼在一起运行 。 但是 ， 到了高铁时代 ， 速度指标翻倍 ， 如果继续分开设计、制造 ， 车厢和车头不能深度协同 ， 不仅速度指标难以实现 ， 还可能出现安全问题 。
所以 ， 高铁的动车组 ， 通常都是统一设计和制造的 。
也就是说 ， 面对前面提及的苛刻5G指标 ， 需要站在系统级集成的角度 ， 对基带和射频进行整体设计 。 这样一来 ， 才能让两者实现完美的软硬件协同 ， 发挥最佳性能（吞吐率、覆盖范围等） 。
除了达成指标之外 ， 整合设计也有利于缩减系统的最终尺寸 ， 减少对手机空间的占用 。 对于系统功耗和散热控制来说 ， 整合设计也有明显优势 。
最后一点 ， 也是很重要的一点 ， 提供系统级整合方案 ， 可以降低手机厂商的设计难度 ， 方便他们以更快的速度推出产品 ， 抢占市场 。
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▉ 5G射频的黑科技
我们来具体看看 ， 系统级集成的5G射频 ， 到底有哪些有趣的黑科技 。
首先 ， 第一个黑科技 ， 就是宽带包络追踪 。
前面介绍射频架构的时候 ， 里面就有一个功率追踪器 。 功率追踪器是配合功率放大器使用的 。
功率放大器是射频的核心元件 ， 它就像一个喇叭 ， 把小声音（信号）变成大声音（信号） 。
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想要把喇叭吹响 ， 肯定需要鼓足力气（电源供电） 。 功率追踪器的作用 ， 就是控制吹喇叭的力度（功率） 。
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传统的吹法 ， 是APT法 ， 也就是平均功率追踪 。 某一时间段内 ， 吹的力量保持不变 。
而宽带包络追踪（ET）技术 ， 可以精确地控制力量 。 也就是说 ， 基带（调制解调器）可以根据信号的变化 ， 控制射频里的包络追踪器 ， 进而精准控制无线信号的发射功率 。
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包络追踪的虚耗电量明显小于传统平均功率追踪
（图片来自高通）
这样一来 ， 体力（能量）大幅节约了 ， 射频的功耗也就下降了 ， 手机的待机时间得以增加 。
精准的发射功率控制 ， 帮助手机获得最佳的信号发射效率 ， 从而获得更好的信道质量 。 在手机与基站“双向沟通”过程中 ， 当手机获得更好的信道质量时 ， 基站就能支持手机实现更优的上下行业务 ， 例如支持2×2 MIMO ， 网速更加丝滑 。 此外 ， 更好的信道质量 ， 也为基站侧给手机分配更高阶的调制方式（例如256QAM）创造了条件 ， 可以提升手机吞吐率 ， 支持更快更优的数据传输业务 。
高通此前发布的几代骁龙5G调制解调器及射频系统集成的宽带包络追踪器 ， 就已经采用了上述技术 。 而其最新的宽带包络追踪器QET7100 ， 与目前市场上其它厂商提供的最先进产品相比 ， 能效提升了30% 。
我们介绍的第二个黑科技 ， 就是AI辅助信号增强技术 。
这个技术是2月份刚推出的骁龙X65 5G调制解调器及射频系统中最新发布的新技术 ， 也是行业里首次将大热的AI技术引入手机射频系统 ， 用于增强信号 。
AI辅助信号增强技术的核心 ， 就是将AI技术引入天线调谐系统 。 天线调谐分为两种方式 ， 一个是阻抗匹配 ， 另一个是孔径调谐 。
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我们先看看阻抗匹配 。
所谓阻抗匹配 ， 我们可以理解为是一种“接水管”的工作 。
射频系统元件与天线之间对接 ， 就像两根水管对接 。 当阻抗一致时 ， 就是位置完美对应 ， 这时水流最大 ， 信号的效率最高 。 如果元件的阻抗发生偏移 ， 那么水管就歪了 ， 水流就小了 ， 一部分水流也浪费了 。
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导致阻抗变化的原因很多 ， 例如手的触碰 ， 还有插接数据线、安装手机壳等 。 即便是不同的持握手势（左手、右手、单手、双手） ， 也会带来不同的阻抗 。
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传统的阻抗匹配做法 ， 就是在实验室对各种造成阻抗变化的原因进行测试 ， 找到天线特征值 ， 然后通过调制解调器控制射频元件进行阻抗调节 ， 让接水管尽可能对准送水管 。
而AI辅助信号增强技术 ， 就是引入AI算法 ， 对各种阻抗变化原因的天线特征值进行大数据分析和机器学习 ， 实现对阻抗的智能调节 ， 达到最完美的匹配效果 。
说白了 ， 就有点像在送水管和接水管之间 ， 安装了一根对接软管 ， 让水流尽可能不浪费 。
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AI辅助信号增强 ， 相当于射频和天线间的对接软管
孔径调谐相对来说较为简单 ， 就是调节天线的电长度 。
从辐射学的角度来说 ， 天线的完美长度应该是波长的四分之一 。 现在的手机 ， 因为全网通、双卡双待等原因 ， 移动通信系统的工作频率是动态变化的 。 例如 ， 有时候工作在2.6GHz ， 有时候工作在3.5GHz 。
工作频率如果变化 ， 意味着最佳波长也变化了 。 所以 ， 需要对天线进行孔径调谐 ， 调节天线的长度 ， 拉长波峰 ， 以此达到最佳效果 。
总而言之 ， 以阻抗匹配和孔径调谐为基础的天线调谐技术 ， 主要作用是克服外部环境对天线信号的影响 ， 对信号进行动态调节 ， 改善用户体验 。
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根据实际验证 ， 凭借着AI辅助信号增强技术 ， 系统的情境感知准确性可以提升30% ， 能够明显降低通话掉线率 ， 提升速率、覆盖和续航 。
▉ 结语
5G射频系统的创新黑科技还有很多 ， 例如多载波优化、去耦调谐、多SIM卡增强并发等 。 这些黑科技全部都是技术创新的成果 。 它们凝结了工程师们的智慧 ， 也为5G终端的顺利推出奠定了基础 。
如今的5G射频 ， 已不再是基带的辅助 ， 而是能够和基带平起平坐、相辅相成的重要手机组件 。
随着5G网络建设的不断深入 ， 除了手机通信之外 ， 越来越多的5G垂直行业应用场景也开始落地开花 。 5G终端的形态将会变得五花八门 ， 更大的考验将会摆在5G射频前端的面前 。
届时5G射频又会玩出什么新花样？让我们拭目以待！
（全文完）
来源：鲜枣课堂
编辑：霜白
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