RFフロントエンドとは

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RFフロントエンドとは、無線機器のアンテナのすぐ内側にあり、電波の送信と受信を担う高周波回路の部分です。 携帯端末では、アンテナ側の送受信回路部分を指します。

部品どうしはアンテナ端の1点でつながり、対応する周波数帯を1つ足すたびに、すでに入っている部品の調整がやり直しになります。同居する帯域が増えるほど個別の部品として最適化できる余地は狭くなり、RFフロントエンドは1つのモジュールとして設計され、そのまま買われます。

フィルタ、増幅器、スイッチを1つのパッケージに集める

スマートフォンの中で、電波と直接向き合う区間です。受信では、アンテナが拾った微弱な信号を、デジタル回路が扱える大きさまで持ち上げます。送信では逆に、小さな信号を、電波として飛ばせる電力まで押し上げます。

高周波モジュールは、無線機器のアナログ高周波回路を小型のパッケージに集積した電子部品ユニットです¹。構成は、表面波フィルタなどの受動デバイスと、半導体デバイスである送信側の高出力増幅器（PA）、受信側の低歪増幅器（LNA）、そしてアンテナを切り替えるスイッチです。

フロントエンドモジュールは、LTE、Wi-Fi、Bluetooth、GPS、DOCSISといった無線の入り口側の回路で使う機能部品をまとめて1つにした超小型の集積モジュールです²。村田製作所は、フィルタ、RFスイッチ、マッチング回路を一体にした製品を出しています。

アンテナとデジタル回路の間に、この区間があります

RFフロントエンドは、アンテナとRFICの間で送信と受信の経路に分けられます。ただし経路が分けられる手前には共通の1点があり、対応するすべての周波数帯がそこを通ります。

アンテナ端の1点に、すべての周波数帯が集まる

FDD方式のマルチプレクサは、複数の周波数帯を同時に送受信する都合から、各帯域を受け持つフィルタ素子のアンテナ側の端子を、すべて1か所へまとめた回路になります³。まとめる素子の数がデュプレクサの2から、トリプルの3、クアッドの4、ペンタの5、ヘキサの6と増えるにつれ、考慮すべき相手側の周波数帯が増えて回路設計が複雑になります。

この調整はアンテナ端に設けるマッチング素子で行いますが、そこを変更するとアンテナ側と各素子側の全端子で特性が変動します。対応する周波数帯を1つ足すたびに、すでに入っている部品の調整がやり直しになる構造です。

相手が増えるほど、考える組み合わせが増えます

アンテナ側の端子が1点で合流するため、素子を足すほど、1つの素子が向き合う相手側の周波数帯が増えます。個々に配置していく作業から、全体を同時に釣り合わせる作業へ変わります。

1点に集めると、部品どうしが互いの特性を削る

ある素子の帯域外の反射特性が不足すると、他の周波数帯の信号がアンテナ側の接点を経由してその素子へ漏れ、他の素子の通過特性が劣化します。マッチング素子をただ足していくやり方では部品の数がかさみ、マッチングによる損失が増えます。良い部品を集めた先に、もう一段の作業が必要になります。

村田製作所が題材にしたのは、送信と受信の周波数間隔が15MHzと狭いBand25と、Band4を組み合わせたクアッドプレクサです。Band4は送信1710〜1755MHz・受信2110〜2155MHz、Band25は送信1850〜1915MHz・受信1930〜1995MHzという規格です。同社が開発した高Q表面波素子（IHP-SAW）を使ったデュプレクサでは、Band25で送信側の損失1.5dB、受信側2.1dB、温度を−30℃から85℃まで振った場合でも送信1.7dB、受信2.3dBという実測値が示されています³。

損失が小さいことは、電池の持ちと受信の届きやすさに直結します。同社は、キャリアアグリゲーションで動作している間の低消費電力と高感度な受信のために、帯域内の低損失化が必須だとしています。

送信の雑音が、受信の感度を奪う

1点に集めたことで起きるもう1つの干渉が受信帯ノイズで、送信側の増幅器が生成する信号のうち、受信に使う周波数へ紛れ込んだ不要な雑音です⁴。この雑音がRFICの受信ポートに入ると、受信感度の劣化を招きます。求められる水準は熱雑音以下で、−180dBm/Hz以下という低さです。従来はSAWデュプレクサで減衰させてきましたが、減衰を強めるほど挿入損失も増えるという二律背反があり、送信と受信の周波数間隔が狭いBand13のような規格では挿入損失が大きくなって、機器の消費電力が増えます。

村田製作所の開発では、パワーアンプの内部、初段と後段のトランジスタの間にフィルタを配置しました。同社は、この位置ならフィルタの挿入損失を後段で増幅し直せるため、雑音の抑制と損失のトレードオフを避けられるとしています。部品の内部にまで手を入れて、はじめて全体の性能が出る例です。

周波数帯の組み合わせが複雑になるほど、モジュールで供給される

太陽誘電は高周波デバイスとして、マルチプレクサやフィルタに加え、アンテナ、デュプレクサ、カプラなどをそろえ⁵、FBAR、SAW、積層セラミックという3つの技術で対応しています。電気信号を分ける役割のディバイダ（スプリッタ）も、今後そろえていくとしています。

村田製作所は、5Gの導入に伴い、端末に載る周波数帯の組み合わせがより複雑になり、フィルタへ求められる技術の難易度が高まっているとしています¹。同居する相手が増えるほど、個別の部品として最適化できる余地は狭くなります。RFフロントエンドが1つのモジュールとして設計され、そのまま買われるのは、この事情によります。

よくある質問（FAQ）

RFフロントエンドとは何ですか？

無線機器のアンテナのすぐ内側にあり、電波の送信と受信を担う高周波回路の部分です。携帯端末では、アンテナ側の送受信回路部分を指します。

どんな部品でできていますか？

表面波フィルタなどの受動デバイスと、半導体デバイスである送信側の高出力増幅器（PA）、受信側の低歪増幅器（LNA）、そしてアンテナを切り替えるスイッチです。

なぜ1つのモジュールとして売られているのですか？

部品どうしがアンテナ端という1点でつながるためです。アンテナ端へ入れるマッチング素子を変えると、つながったすべての端子の特性が変動します。個別に最適化した部品を後から寄せ集める形は、そのぶん取りにくくなります。

同じ端子へ集める素子が増えると、何が難しくなりますか？

まとめる素子数がデュプレクサの2から、トリプルの3、クアッドの4、ペンタの5、ヘキサの6と増えるにつれ、考慮すべき相手側の周波数帯が増えて回路設計が複雑になります。

フィルタの損失はどのくらいですか？

村田製作所が開発した高Q表面波素子（IHP-SAW）のデュプレクサでは、Band25で送信側1.5dB、受信側2.1dBという実測値が示されています。温度を−30℃から85℃まで振った場合でも送信1.7dB、受信2.3dBです。

送信が受信を邪魔することはありますか？

あります。送信側の増幅器が生成する信号のうち受信に使う周波数へ紛れ込んだ不要な雑音を受信帯ノイズと呼び、これがRFICの受信ポートに入ると受信感度の劣化を招きます。求められる水準は熱雑音以下の−180dBm/Hz以下です。

RFフロントエンドとパワーアンプは何が異なるのですか？

パワーアンプは、RFフロントエンドを構成する部品の1つです。RFフロントエンドはアンテナ側の送受信回路全体を指し、パワーアンプはそのうち送信信号を電波として飛ばせる電力まで増幅する役割を担います。

比較・違いを学ぶ

パワーアンプとは── RFフロントエンドの中で、送信の電力を作る部品

出典

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1
村田製作所：事業紹介「高周波・通信」corporate.murata.com a b
2
村田製作所：製品情報「フロントエンドモジュール」murata.com ↩
3
村田製作所：技術広報誌metamorphosis20号論文紹介「高Q表面波素子（IHP-SAW）を用いた高難度マルチプレクサ設計」corporate.murata.com a b
4
村田製作所：技術広報誌metamorphosis20号論文紹介「次世代RFフロントエンド回路に向けた低受信帯ノイズPAの開発」corporate.murata.com ↩
5
太陽誘電：製品情報「高周波デバイス」yuden.co.jp ↩