【導(dǎo)讀】智能手機(jī)內(nèi)部的PCB已成為移動(dòng)終端第二大最珍貴且競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域，僅次于無(wú)線電頻譜。本來(lái)為緩解帶寬稀缺問(wèn)題而出現(xiàn)的新增無(wú)線電頻段的擴(kuò)展，卻恰恰加劇了智能手機(jī)內(nèi)PCB空間的壓力，再?zèng)]有多余的空間來(lái)擴(kuò)大射頻前端。怎么辦？在這種情況下，最需要的就是“以少勝多”的全新移動(dòng)射頻前端。
智能手機(jī)內(nèi)部的印刷電路板（PCB）區(qū)域已成為移動(dòng)終端第二大最珍貴且競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域，僅次于無(wú)線電頻譜。具有諷刺意味的是，本來(lái)為緩解帶寬稀缺問(wèn)題而出現(xiàn)的新增無(wú)線電頻段的擴(kuò)展，卻恰恰加劇了智能手機(jī)內(nèi)PCB空間的壓力。更多的頻段需要更多獨(dú)立的射頻（RF）前端元件，如功率放大器、多頻帶開(kāi)關(guān)、雙工器、濾波器以及匹配元件等。加上對(duì)更大屏幕、四核應(yīng)用處理器、無(wú)線連接、電池和附加元件的需求，全部這些都要被封裝在超薄外殼內(nèi)，顯而易見(jiàn)，再?zèng)]有多余的空間來(lái)擴(kuò)大射頻前端，何況要滿足單一SKU覆蓋全球LTE漫游所需的兩倍或三倍頻段擴(kuò)展（見(jiàn)圖1）。
圖1 典型智能手機(jī)中有限的PCB空間
高通推出的Qualcomm RF360射頻前端解決方案，旨在解決這一問(wèn)題以及其它相關(guān)問(wèn)題。該解決方案有一個(gè)高度集成的射頻前端，基本整合了調(diào)制解調(diào)器和天線之間的所有基本組件，包括：集成天線開(kāi)關(guān)的射頻功率放大器、無(wú)線電收發(fā)器、天線匹配調(diào)諧器和包絡(luò)功率追蹤器。這是一個(gè)“360度全方位”方案，能夠簡(jiǎn)化和解決蜂窩射頻前端面臨的眾多復(fù)雜挑戰(zhàn)。首先，該方法能夠通過(guò)改進(jìn)性能和尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品頻帶擴(kuò)展和延伸，從而使產(chǎn)品具備最強(qiáng)的吸引力，并縮減單一SKU設(shè)計(jì)尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)顯著生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)勢(shì)的最大化。該前端解決方案于今年2月發(fā)布，OEM廠商采用該方案的產(chǎn)品預(yù)計(jì)將在2013年晚些時(shí)候推出。該前端從設(shè)計(jì)之初就是一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案，可以與終端的調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器以及傳感器交互工作，實(shí)現(xiàn)全新的獨(dú)特性能提升。
射頻前端的設(shè)計(jì)方法
在廣泛的技術(shù)層面，在2G和3G網(wǎng)絡(luò)在全球的的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，前端設(shè)計(jì)主要用于解決伴隨4G LTE（FDD和TDD）擴(kuò)展帶來(lái)的射頻頻段不統(tǒng)一問(wèn)題，以及在不增加空間需求或影響性能的前提下滿足在單一終端或盡量少的SKU上支持所有相關(guān)頻段的需求。
在經(jīng)濟(jì)層面，該前端設(shè)計(jì)旨在幫助蜂窩終端制造商擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并顯著降低成本。相比之前OEM廠商需要多達(dá)10個(gè)不同的設(shè)計(jì)才能滿足全球所需LTE頻段組合的需求，現(xiàn)在3個(gè)或甚至更少的設(shè)計(jì)就可以實(shí)現(xiàn)，而且無(wú)需改變電路板布局或增加電路板空間就可以處理這些設(shè)計(jì)的差異。
射頻頻段擴(kuò)展，而不增加PCB空間
當(dāng)今射頻面臨的核心挑戰(zhàn)是解決服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)容量爆炸式增長(zhǎng)所需的更多蜂窩頻段——目前全球頻段總數(shù)已達(dá)到40個(gè)。另外，OEM廠商需要同時(shí)推出多部手持終端以實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品投資的最大化回報(bào)，這進(jìn)一步加劇了挑戰(zhàn)的復(fù)雜性。移動(dòng)終端制造商不得不為每款終端推出多個(gè)版本，每個(gè)版本產(chǎn)量有限，使用的傳統(tǒng)射頻解決方案只能處理個(gè)別頻段，或者在單一終端中集成多個(gè)芯片組，以實(shí)現(xiàn)更大的覆蓋范圍。
高通的解決方案通過(guò)單一電路板級(jí)SKU 解決了射頻頻帶擴(kuò)展的挑戰(zhàn)。該SKU模塊支持各種模式和頻段（從GSM之后的所有主要蜂窩制式和目前3GPP協(xié)議中包括的全部頻段）的組合，支持全球漫游，特別是4G LTE。在沒(méi)有單一射頻解決方案可以處理全球所有頻段的情況下，不采用強(qiáng)制方法組合大量離散零件怎么可能實(shí)現(xiàn)呢？這需要整合關(guān)鍵技術(shù)，將所有的關(guān)鍵技術(shù)都集成到美國(guó)高通公司的解決方案內(nèi)，將其優(yōu)化成為一個(gè)端對(duì)端系統(tǒng)。
包絡(luò)功率追蹤器
第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是包絡(luò)功率追蹤器（ET），它根據(jù)信號(hào)的瞬態(tài)需求來(lái)調(diào)整功率放大器（PA）電源，。該技術(shù)是傳統(tǒng)平均功率追蹤器（APT）的升級(jí)，APT根據(jù)功率水平分組而不是瞬時(shí)信號(hào)需求來(lái)調(diào)整功率放大器的供電量。使用APT技術(shù)時(shí)，未使用的電量不僅浪費(fèi)電池電力，而且還會(huì)產(chǎn)生余熱，這增加了對(duì)散熱空間的需求（見(jiàn)圖2a）。而借助包絡(luò)追蹤器，電量的提供取決于被傳輸信號(hào)內(nèi)容的瞬時(shí)需要（見(jiàn)圖2b）。
圖2采用平均功率追蹤器（a）的功率損失與采用功率包絡(luò)追蹤器（b）的功率節(jié)省量對(duì)比。
包絡(luò)功率追蹤器與終端調(diào)制解調(diào)器交互工作，調(diào)整傳輸功率以滿足被傳輸內(nèi)容的瞬時(shí)需求，而不是在恒定功率下的長(zhǎng)時(shí)間間隔后調(diào)整。這是業(yè)內(nèi)首個(gè)用于3G/4G LTE移動(dòng)終端的調(diào)制解調(diào)器輔助包絡(luò)追蹤器，它將功耗降低最高達(dá)20％，發(fā)熱降低近30％（基于QTI的測(cè)試和分析）。這延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間，降低了智能手機(jī)超薄機(jī)身內(nèi)部的發(fā)熱。
包絡(luò)追蹤器與調(diào)制解調(diào)器一起運(yùn)行，檢測(cè)瞬時(shí)功率需求，并管理功率放大器。借助基于CMOS的功率放大器，集成水平可以大幅提高，進(jìn)而衍生出完全集成的射頻前端系統(tǒng)級(jí)芯片這一想法。系統(tǒng)級(jí)芯片是指先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，現(xiàn)在已可用于射頻前端。
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業(yè)內(nèi)首次使用的3D 射頻封裝或RF POP TM解決方案
高通前端解決方案的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是業(yè)內(nèi)首次使用的3D 射頻封裝或RF POPTM解決方案，采用先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，單一封裝內(nèi)集成了單芯片多模功率放大器和天線開(kāi)關(guān)（AS），并將濾波器和雙工器集成到一個(gè)單一基底中，然后將基底置于基礎(chǔ)組件之上，整合成一個(gè)單一的“3D”芯片組組合，從而降低了整體的復(fù)雜性，摒棄了當(dāng)今射頻前端模塊中常見(jiàn)的引線接合。集成功率放大器和天線開(kāi)關(guān)的封裝作為基底層，管腳對(duì)所有頻段配置都一致，包含濾波器和雙工器的封裝針對(duì)全球和/或多地區(qū)頻段組合進(jìn)行配置，置于PA/AS基底之上，就像在一個(gè)通用基底上定制的“頂”。這一組合厚一毫米，在電路板上所占的面積只有美國(guó)高通公司前代射頻前端解決方案的一半。重要的是，針對(duì)不同地區(qū)的定制終端無(wú)需更改電路板布局，因?yàn)榛A(chǔ)PA/ AS層可以保持不變（見(jiàn)圖3）。
圖3 射頻POP 3D設(shè)計(jì)CMOS前端。
相比之下，基于PCB模塊的傳統(tǒng)解決方案混合搭配不同技術(shù)，如基于GaAs和基于CMOS的組件，成為單一終端運(yùn)行環(huán)境下的最佳解決方案。要適應(yīng)更廣泛的環(huán)境則更為復(fù)雜，在某些情況下還會(huì)導(dǎo)致單一終端內(nèi)存在多個(gè)并行解決方案。取決于設(shè)計(jì)的頻段組合，這些并行解決方案需要多個(gè)功率放大器、更多的獨(dú)立芯片以及相關(guān)的引線結(jié)合，這會(huì)帶來(lái)輻射干擾，增加了阻抗匹配需求，因而阻礙了技術(shù)集成。如果需要更多頻段，必須改變電路板（其中包括尺寸增加的可能性），并減少每一個(gè)獨(dú)特設(shè)計(jì)的數(shù)量（見(jiàn)圖4）。
圖4 并行的傳統(tǒng)射頻前端獨(dú)立設(shè)計(jì)。
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自適應(yīng)天線調(diào)諧器
第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是自適應(yīng)天線調(diào)諧。更薄、更時(shí)尚的移動(dòng)終端設(shè)計(jì)讓射頻問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻，即用戶的手掌和頭部與天線的實(shí)際距離變得更近，這使天線受到目標(biāo)頻率的干擾；這是除了用戶手掌和/或頭部的物理障礙造成基站信號(hào)衰減外，另一個(gè)導(dǎo)致信號(hào)丟失的原因?；拘枰蛞苿?dòng)終端發(fā)送指令增加傳輸功率以補(bǔ)償丟失的信號(hào)。如果終端傳輸功率升高，那么電池的消耗也會(huì)加快。如果終端已經(jīng)處于最大傳輸功率，那么通話就會(huì)受到影響，甚至導(dǎo)致掉話（見(jiàn)圖5）。
圖5 傳統(tǒng)射頻前端信號(hào)干擾導(dǎo)致功耗增加或掉話
圖6 美國(guó)高通公司RF360信號(hào)干擾啟動(dòng)重新調(diào)諧
相比之下，美國(guó)高通公司的系統(tǒng)與終端的傳感器相配合，監(jiān)測(cè)天線信號(hào)干擾和增益信號(hào)損失，此外，調(diào)制解調(diào)器還能指導(dǎo)天線匹配調(diào)諧器重新調(diào)諧到正確的頻率。這就避免了因補(bǔ)償越限頻率傳輸造成的功率增加，功率只需增加到能夠補(bǔ)償物理障礙產(chǎn)生的信號(hào)衰減即可（見(jiàn)圖6）。
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功率放大器性能
高通RF360解決方案采用全面系統(tǒng)設(shè)計(jì)打造全CMOS射頻前端。在過(guò)去，與基于模塊并采用GaAs/CMOS混合技術(shù)的解決方案相比，該前端被認(rèn)為不足以滿足蜂窩功率的性能需求。然而，QTI的測(cè)試已經(jīng)證明，在廣泛的傳輸功率水平上，僅使用當(dāng)前一代支持包絡(luò)功率追蹤的CMOS集成方案與使用當(dāng)下平均功率追蹤的常規(guī)功率放大器相比，傳輸功率性能（TX功率產(chǎn)生的功耗）不相上下（見(jiàn)圖7）。
圖7 功率放大器性能對(duì)比
圖8 TX功率使用形態(tài)
高通的支持包絡(luò)追蹤的解決方案與傳統(tǒng)的平均功率追蹤的解決方案相比，在不同功率水平上的差異很小。根據(jù)QTI在美國(guó)加州鄉(xiāng)村地區(qū)（2013年，連續(xù)監(jiān)測(cè)7天，從早8點(diǎn)到晚8 點(diǎn)）以及洛杉磯市區(qū)（2011年，連續(xù)監(jiān)測(cè)1天，從早6點(diǎn)至晚7點(diǎn)）的各個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)上實(shí)地收集的數(shù)據(jù)，包絡(luò)追蹤器系統(tǒng)已在性能效率方面做了優(yōu)化，在現(xiàn)實(shí)世界最常用的功率范圍內(nèi)提供最佳的通話時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸（見(jiàn)圖8），而且即使超出了這些最常用的傳輸功率范圍，其性能也接近傳統(tǒng)的功率放大器。
當(dāng)基于高/低頻段的實(shí)際功率使用分布來(lái)衡量功率性能時(shí)，使用美國(guó)高通公司RF360解決方案的功率放大器在總功耗上與鄉(xiāng)村地區(qū)的傳統(tǒng)功率放大器幾乎相同，比城市地區(qū)的傳統(tǒng)功率放大器還要略低一些（見(jiàn)圖9）。
圖9 基于使用的總功耗對(duì)比
圖10 采用天線調(diào)諧的TX功率使用分布轉(zhuǎn)移
值得注意的是，這些性能對(duì)比不包括使用高精度模擬電路進(jìn)行優(yōu)化功率放大器和ET操作帶來(lái)的提升，例如，通過(guò)增加多個(gè)可編程增益狀態(tài)。天線調(diào)諧增益也沒(méi)有計(jì)入比較。QTI測(cè)試表明，2 dB增益來(lái)自于天線調(diào)諧，它將TX電源使用曲線的頻率在使用形態(tài)分布內(nèi)向“左”轉(zhuǎn)移–2 dB（見(jiàn)圖10）。
將這些轉(zhuǎn)移的TX功率使用頻率分布計(jì)入性能分析，能體現(xiàn)出總功耗的進(jìn)一步提升。因此，即使沒(méi)有功率放大器優(yōu)化和天線調(diào)諧增益，整體系統(tǒng)性能也能滿足當(dāng)下的需求，且與現(xiàn)有的前端解決方案不分上下，而且PCB空間需求更小，射頻頻段可擴(kuò)展性更大。
高通的前端解決方案是一個(gè)創(chuàng)新集合體：
- 首款采用集成天線開(kāi)關(guān)的完全集成式單芯片多模、多頻段CMOS的功率放大器
- 首個(gè)堆棧式RF POP解決方案（3D封裝），縮小了射頻前端的空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通用電路板布局，并簡(jiǎn)化RF頻段定制或擴(kuò)展
- 首個(gè)支持LTE的CMOS功率放大器
- 首個(gè)采用包絡(luò)追蹤的CMOS功率放大器
- 首個(gè)動(dòng)態(tài)重構(gòu)LTE多模天線調(diào)諧器
- 總體來(lái)說(shuō)，它是第一款包括調(diào)制解調(diào)器和天線之間一切元件的、完全集成并基于CMOS的射頻前端
該解決方案重點(diǎn)解決全球LTE頻帶擴(kuò)展對(duì)移動(dòng)終端的經(jīng)濟(jì)規(guī)模生產(chǎn)，以及極其有限的PCB空間所帶來(lái)的直接挑戰(zhàn)。RF POP方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用全球電路板級(jí)設(shè)計(jì)，它具有簡(jiǎn)化的射頻頻帶擴(kuò)展或定制，可以幫助恢復(fù)終端的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)規(guī)模。更小的射頻前端空間、散熱空間需求和尺寸，以及更長(zhǎng)的電池壽命，成就了外形超薄、功能強(qiáng)大且高效的終端設(shè)計(jì)。此外，該解決方案現(xiàn)已開(kāi)始出樣，旨在滿足實(shí)現(xiàn)LTE規(guī)模經(jīng)濟(jì)和全球漫游的緊迫挑戰(zhàn)。
