未來(lái)手機(jī)RF前端設(shè)計(jì)解析

在過(guò)去十年中，手機(jī)經(jīng)歷了巨大的變革。面世伊始僅供人們通話和收發(fā)短信的手機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ苁殖衷O(shè)備，融電話、Web瀏覽器、短信工具、照相機(jī)、游戲機(jī)、MP3播放器和很多實(shí)用功能于一體，能夠滿足人們的移動(dòng)信息需求。

此外，當(dāng)前的手機(jī)用戶不僅需要這些功能，而且還要求能夠隨時(shí)隨地使用這些功能。這種移動(dòng)技術(shù)需要兼容多個(gè)頻段和多種調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。由于功能復(fù)雜，且消費(fèi)者喜愛(ài)小巧機(jī)型，設(shè)計(jì)人員因此面臨強(qiáng)大壓力，必須以更低的物料清單(BOM)成本和創(chuàng)記錄的交付時(shí)間來(lái)提供產(chǎn)品，才能滿足市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品不斷推陳出新的期望。

如此嚴(yán)格的要求促使設(shè)計(jì)人員改變了對(duì)RF前端的評(píng)估測(cè)試方式。本文將討論上述需求對(duì)于設(shè)計(jì)的影響，以及如何利用新方法來(lái)增強(qiáng)多功能手機(jī)的用戶體驗(yàn)。

已涉足此行業(yè)數(shù)年的設(shè)計(jì)工程師可能還記得，幾年前，語(yǔ)音是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素，最常使用的調(diào)制格式是GSM/GPRS，手機(jī)的外形較大，RF前端部分所占用的印刷電路板(PCB)面積也較多，性能是關(guān)注的焦點(diǎn)。

天線位于手機(jī)外部

天線位于手機(jī)外部(如圖1所示)，采用短截線天線或能夠拉出收回的滑動(dòng)型天線，其效率遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前手機(jī)中的天線。這類(lèi)手機(jī)僅支持純語(yǔ)音呼叫，用戶要將手機(jī)拿至貼近頭部的位置。因此，天線的設(shè)計(jì)是在相對(duì)了解的環(huán)境中進(jìn)行的，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

直至今天，這依然很重要，因?yàn)楣β史糯笃?PA)對(duì)于通話時(shí)間影響很大，而這直接關(guān)系到使用某種型號(hào)或某個(gè)品牌手機(jī)時(shí)的用戶體驗(yàn)。如果設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化手機(jī)在實(shí)際使用環(huán)境中的電流消耗，那么該產(chǎn)品在消費(fèi)者市場(chǎng)中會(huì)占據(jù)更有力的競(jìng)爭(zhēng)地位。天線及其實(shí)際性能間的一致性使得手機(jī)設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)天線與PA的阻抗匹配靈活地優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便盡可能高效地提供最高功率。

手機(jī)設(shè)計(jì)今非昔比

時(shí)光荏苒，手機(jī)市場(chǎng)發(fā)生了巨變?，F(xiàn)在的關(guān)注焦點(diǎn)是應(yīng)用處理器和組件，專(zhuān)注于軟件應(yīng)用勝過(guò)提升用戶體驗(yàn)。目前，手機(jī)外形更為小巧，但在很多情況下，為了實(shí)現(xiàn)這些獨(dú)特外形，不得不在一定程度上犧牲性能?，F(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線或平面倒F天線(PIFA)(參見(jiàn)圖2)，多數(shù)情況下它們的效率低于過(guò)去的天線。

現(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線或平面倒F天線

不過(guò)，為了解決設(shè)計(jì)人員面臨的難題，一些手機(jī)轉(zhuǎn)而采用過(guò)去的短截線天線。這種性能與外形尺寸間的取舍，會(huì)直接影響電池壽命、通話時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)可用性方面的用戶體驗(yàn)，因?yàn)樘炀€選擇及其使用環(huán)境會(huì)影響PA的工作。

例如，電壓駐波比(VSWR)就體現(xiàn)了這是如何影響PA的。當(dāng)前的手機(jī)工作在三種基本配置下。一種是用戶按傳統(tǒng)方式將手機(jī)貼在頭部附近通話，或者置于頭部前方，使用揚(yáng)聲器通話，還有一種情況是手機(jī)并沒(méi)有握在手里，而是與用戶有一定的距離。

天線的VSWR性能差別很大，這只是其中的三種主要場(chǎng)景，實(shí)際上，由于手指和手掌的位置不同，存在很多種使用狀況，但為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文僅討論以上三種情況。有關(guān)天線VSWR性能的差別請(qǐng)參見(jiàn)圖3。

天線的VSWR性能

圖3：手機(jī)中PIFA天線的VSWR性能

這些頻率響應(yīng)說(shuō)明了在當(dāng)前新一代手機(jī)中，PA面臨的不同VSWR要求。對(duì)于這類(lèi)手機(jī)，在頻段邊緣，PA對(duì)應(yīng)的VSWR范圍為5:1到2:1。VSWR性能還會(huì)影響接收靈敏度。許多手機(jī)設(shè)計(jì)人員涌來(lái)評(píng)估RF前端的通常做法是，在50歐姆實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量性能。

實(shí)際上，這種方法對(duì)于今天的設(shè)計(jì)已不再適用，因?yàn)镻A所面對(duì)的阻抗是不可預(yù)測(cè)的。設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化解決方案，以為終端用戶提供最佳通話時(shí)間，就必須著手在不同的VSWR條件下檢測(cè)RF前端。

諸如3GPP等標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了空中測(cè)試(OTA)要求。一般來(lái)說(shuō)，這些要求要比運(yùn)營(yíng)商的要寬松得多，因?yàn)楹笳咝枰鼑?yán)格的OTA性能。運(yùn)營(yíng)商為其手機(jī)設(shè)置的典型值為傳導(dǎo)RF輸出功率-11dB。

根據(jù)GSM850標(biāo)準(zhǔn)，這相當(dāng)于22dBmOTA要求，因?yàn)閭鲗?dǎo)輸出功率要求設(shè)置為33dBm，而天線效率和傳播效果隨頻率不同，會(huì)有-11dB的損耗。如果RF前端都按照這些要求進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比，這些OTA要求就能直接應(yīng)用于50歐姆系統(tǒng)。

GSM功率控制架構(gòu)對(duì)通話時(shí)間的影響

當(dāng)前行業(yè)中GSM手機(jī)采用最廣泛的三種架構(gòu)分別是電流控制、電壓控制和功率檢測(cè)。圖4、圖5和圖6分別給出了這三種架構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖。

電流控制

圖4：電流控制模塊圖

圖4中的電流控制架構(gòu)是一種間接控制的方案，它監(jiān)控電流并使其保持恒定。這種方法將電流與功率相關(guān)聯(lián)，只要電流與功率之間的關(guān)系保持恒定(僅當(dāng)負(fù)載電阻不變時(shí))，就能非常出色地控制功率?？刂乒β实姆椒ㄊ牵和ㄟ^(guò)調(diào)整放大器的基級(jí)偏壓來(lái)控制增益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率控制。

電流控制

圖5：電壓控制模塊圖

圖5為電壓控制示意圖，它與電流控制類(lèi)似，也是一種間接控制方法，只是將電壓而非電流與功率相關(guān)聯(lián)。這種方法非常類(lèi)似電流控制，只要負(fù)載電阻恒定且電壓和功率間的關(guān)系保持不變，就能工作良好。與電流控制相似，在電壓控制中，通過(guò)調(diào)節(jié)集電極電壓而非基級(jí)偏壓來(lái)控制功率。

功率檢測(cè)

圖6：功率檢測(cè)模塊圖

本文中介紹的最后一個(gè)架構(gòu)是功率檢測(cè)(如圖6所示)。這種方法將一部分信號(hào)耦合回檢波器，檢波器通過(guò)比較輸出電壓和參考電壓來(lái)檢測(cè)功率。這種功率控制方法的準(zhǔn)確性也很高，失配主要取決于耦合器的方向和反饋回路中的誤差。該架構(gòu)的缺點(diǎn)是，增加了耦合器的輸出損耗和組件成本，因?yàn)樗枰嚯娐穪?lái)實(shí)現(xiàn)功率控制功能。

在非常簡(jiǎn)短地回顧了基本功率控制架構(gòu)后，下面重點(diǎn)介紹器件的評(píng)估測(cè)試，采用的是能夠反映實(shí)際性能，并直接影響通話時(shí)間、電池壽命和呼叫接收效果等用戶滿意度指標(biāo)的方式。首先，為了解實(shí)際環(huán)境，必須描述天線性能(如圖3所示)。

正像前面所述，VSWR的變化范圍在2:1到5:1之間，具體取決于終端用戶和手機(jī)的位置。綜合這些考量因素，用于對(duì)比的基準(zhǔn)定為3:1VSWR。選擇該值的原因是因?yàn)樗芎芎玫伢w現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中的性能，而不會(huì)有不切實(shí)際的功率反射回PA，從而導(dǎo)致比較結(jié)果有誤差。為正確描述這些產(chǎn)品，必須進(jìn)行負(fù)載牽引測(cè)試，用這種方法設(shè)計(jì)人員可以精確控制失配、相角和輸出功率精確度。該方法如圖7所示。

負(fù)牽引的設(shè)置

圖7：負(fù)載牽引的設(shè)置

通過(guò)圖8和圖9可以看出，即使采用不同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功率控制功能，在實(shí)際環(huán)境中的性能還是有可能出現(xiàn)很大差異。這意味著什么?為什么很重要?首先，如前所述，OTA性能是真正的關(guān)鍵，它與輸出功率直接相關(guān)。

如圖9所示，在這三種維持到負(fù)載的恒定輸出功率的方法中，電流控制是表現(xiàn)最差的一種。在GSM850頻段，電流控制和功率檢測(cè)方法有大概1.5dB的差異。功率檢測(cè)機(jī)制的缺陷在于允許電流增加，而其它解決方案中的電流維持在合理值。盡管這種情況下看起來(lái)通話時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，但實(shí)際環(huán)境中并非如此。

例如，如果手機(jī)工作在29dBm(這是GSM系統(tǒng)中最常見(jiàn)的功率值)，基站實(shí)際上會(huì)要求手機(jī)將功率值從29dBm提高到31dBm，因?yàn)檩敵龉β薀o(wú)法滿足當(dāng)前功率控制電平(PCL)。這反過(guò)來(lái)會(huì)增加電流消耗，最終縮短通話時(shí)間。另一個(gè)需考慮的則是電流消耗所取得的優(yōu)勢(shì)。

在手機(jī)中，如果電流控制機(jī)制在這些情況下提供了足夠輸出功率，能夠滿足運(yùn)營(yíng)商的OTA要求，則無(wú)須擔(dān)心進(jìn)入VSWR的功率。由于出色地降低了輸出功率，因此提供一種VSWR性能較好的解決方案就能夠大幅節(jié)省電流消耗。在查看圖10時(shí)，請(qǐng)考慮以下問(wèn)題：如果所有解決方案交付的功率均相同，那么它們會(huì)對(duì)終端用戶有何影響?

對(duì)于電壓控制和功率檢測(cè)方法而言，可將50歐姆校準(zhǔn)設(shè)置為降低1dB，但仍滿足相同的輸出功率要求。ETSI傳導(dǎo)規(guī)范指定，對(duì)于PCL5，正常情況下的功率為33dBm±2dB。這意味著為達(dá)到傳導(dǎo)性能，針對(duì)PCL5，手機(jī)必須至少輸出31dBm?？紤]到留出余量的需求，最安全的校準(zhǔn)值應(yīng)為31.5dBm。如果需要更大的余量，則設(shè)計(jì)人員可將手機(jī)調(diào)相至50歐姆環(huán)境中為32dBm，從而大幅節(jié)約電流。圖11中詳細(xì)介紹了與50歐姆環(huán)境下性能的關(guān)聯(lián)問(wèn)題。

與50歐姆環(huán)境下性能的關(guān)聯(lián)問(wèn)題

在圖11中，對(duì)這三個(gè)解決方案的電流與輸出功率進(jìn)行了的對(duì)比。這證明了如果設(shè)計(jì)人員要實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率以滿足OTA需求，那么電流控制方案中的輸出功率就需要調(diào)整為33dBm，功率檢測(cè)方案的輸出功率與之相比要小1dB。最終的結(jié)果是在滿功率工作時(shí)，50歐姆環(huán)境下可節(jié)省180mA電流，從而延長(zhǎng)電池壽命和通話時(shí)間。

在節(jié)省電流的同時(shí)，并未犧牲任何實(shí)際輸出功率OTA性能。降低調(diào)相目標(biāo)的另一優(yōu)勢(shì)是，降低了吸收率(SAR)，且減少了諧波的生成，因?yàn)樵跐M功率1dB回退點(diǎn)，諧波能量要低很多。這減輕了輻射問(wèn)題，并能加快產(chǎn)品面市速度。

如果設(shè)計(jì)人員對(duì)該方法不感興趣，而希望提高輸出功率，那么可通過(guò)使用VSWR容差性能更優(yōu)的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。但提高輸出功率后，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都面臨著多時(shí)隙GPRS情形下輻射能量無(wú)法達(dá)到SAR要求的可能性。而設(shè)計(jì)更優(yōu)的、VSWR容差性能良好的器件通過(guò)限制低阻抗?fàn)顟B(tài)下的輸出功率，使手機(jī)工作在較高功率水平時(shí)仍能滿足SAR要求(參見(jiàn)圖12)。

優(yōu)化OTA性能

圖12說(shuō)明，如果手機(jī)設(shè)計(jì)人員希望優(yōu)化OTA性能，那么電壓控制和功率檢測(cè)解決方案與電流控制解決方案相比，其調(diào)相目標(biāo)要高出0.5到0.75dB。從統(tǒng)計(jì)角度看，較高的調(diào)相目標(biāo)會(huì)降低SAR性能。但由圖12我們可以看到，這三種解決方案的峰值功率擺幅是相同的，而50歐姆環(huán)境下設(shè)定的功率要高于電流控制方案的功率。這使得設(shè)計(jì)人員能夠開(kāi)發(fā)出在運(yùn)營(yíng)商要求的OTA性能方面比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更為優(yōu)秀的產(chǎn)品。

最后需要考慮的是發(fā)射(TX)和接收(RX)性能間的平衡，以及是否能根據(jù)不同地區(qū)定制性能。從圖3，即手機(jī)天線VSWR性能示意圖中可以看出，如果需要的話，可以通過(guò)調(diào)諧來(lái)為提高RX性能而降低TX性能。圖中的紫色軌跡表示手機(jī)放在頭部附近的傳統(tǒng)通話方式，在提高頻率時(shí)，GSM850TX和RX性能會(huì)略有降低，而GSM900RXVSWR則會(huì)有所改善。如果TX通路VSWR容差性能良好，設(shè)計(jì)人員就能根據(jù)其具體設(shè)計(jì)中的側(cè)重點(diǎn)，靈活地權(quán)衡參數(shù)。

總之，失配情況下評(píng)估方案的重要性必須得到重視。這為設(shè)計(jì)人員打開(kāi)了新思路，他們能以前所未有的方式進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)性能權(quán)衡。如果只是根據(jù)50歐姆實(shí)驗(yàn)室測(cè)試來(lái)檢測(cè)解決方案，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正確選擇合適的設(shè)計(jì)架構(gòu)。

由圖10可知，這三種解決方案都能執(zhí)行相應(yīng)功能，且性能非常相似。雖然在50歐姆環(huán)境中確實(shí)如此，但實(shí)際應(yīng)用卻有很大不同。關(guān)注OTA性能可使設(shè)計(jì)者更為靈活地定制產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的功耗、OTA功率或RX性能。

為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)開(kāi)放思路，采用新方法來(lái)進(jìn)行RF前端評(píng)估，并作出真正能夠影響用戶滿意度的決策，如降低呼損率，延長(zhǎng)電池壽命等。隨著終端客戶的使用體驗(yàn)的改進(jìn)，手機(jī)的品牌形象也會(huì)大幅提升，最終提高消費(fèi)者需求量和運(yùn)營(yíng)商的采用率。