未來(lái)手機RF前端設計解析

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

此外，當前的手機用戶(hù)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)頻段和多種調制標準。由于功能復雜，且消費者喜愛(ài)小巧機型，設計人員因此面臨強大壓力，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(mǎn)足市場(chǎng)對于產(chǎn)品不斷推陳出新的期望。

如此嚴格的要求促使設計人員改變了對RF前端的評估測試方式。本文將討論上述需求對于設計的影響，以及如何利用新方法來(lái)增強多功能手機的用戶(hù)體驗。

已涉足此行業(yè)數年的設計工程師可能還記得，幾年前，語(yǔ)音是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素，最常使用的調制格式是GSM/GPRS，手機的外形較大，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(xiàn)位于手機外部

天線(xiàn)位于手機外部(如圖1所示)，采用短截線(xiàn)天線(xiàn)或能夠拉出收回的滑動(dòng)型天線(xiàn)，其效率遠優(yōu)于當前手機中的天線(xiàn)。這類(lèi)手機僅支持純語(yǔ)音呼叫，用戶(hù)要將手機拿至貼近頭部的位置。因此，天線(xiàn)的設計是在相對了解的環(huán)境中進(jìn)行的，能夠實(shí)現設計的優(yōu)化。

直至今天，這依然很重要，因為功率放大器(PA)對于通話(huà)時(shí)間影響很大，而這直接關(guān)系到使用某種型號或某個(gè)品牌手機時(shí)的用戶(hù)體驗。如果設計人員能夠優(yōu)化手機在實(shí)際使用環(huán)境中的電流消耗，那么該產(chǎn)品在消費者市場(chǎng)中會(huì )占據更有力的競爭地位。天線(xiàn)及其實(shí)際性能間的一致性使得手機設計人員能夠通過(guò)天線(xiàn)與PA的阻抗匹配靈活地優(yōu)化設計，以便盡可能高效地提供最高功率。

手機設計今非昔比

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

現在的手機采用的是貼片天線(xiàn)或平面倒F天線(xiàn)

不過(guò)，為了解決設計人員面臨的難題，一些手機轉而采用過(guò)去的短截線(xiàn)天線(xiàn)。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(huà)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò )可用性方面的用戶(hù)體驗，因為天線(xiàn)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)就體現了這是如何影響PA的。當前的手機工作在三種基本配置下。一種是用戶(hù)按傳統方式將手機貼在頭部附近通話(huà)，或者置于頭部前方，使用揚聲器通話(huà)，還有一種情況是手機并沒(méi)有握在手里，而是與用戶(hù)有一定的距離。

天線(xiàn)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(xiàn)VSWR性能的差別請參見(jiàn)圖3。

天線(xiàn)的VSWR性能

圖3：手機中PIFA天線(xiàn)的VSWR性能

這些頻率響應說(shuō)明了在當前新一代手機中，PA面臨的不同VSWR要求。對于這類(lèi)手機，在頻段邊緣，PA對應的VSWR范圍為5:1到2:1。VSWR性能還會(huì )影響接收靈敏度。許多手機設計人員涌來(lái)評估RF前端的通常做法是，在50歐姆實(shí)驗室環(huán)境中測量性能。

實(shí)際上，這種方法對于今天的設計已不再適用，因為PA所面對的阻抗是不可預測的。設計人員要優(yōu)化解決方案，以為終端用戶(hù)提供最佳通話(huà)時(shí)間，就必須著(zhù)手在不同的VSWR條件下檢測RF前端。

諸如3GPP等標準委員會(huì )制定了空中測試(OTA)要求。一般來(lái)說(shuō)，這些要求要比運營(yíng)商的要寬松得多，因為后者需要更嚴格的OTA性能。運營(yíng)商為其手機設置的典型值為傳導RF輸出功率-11dB。

根據GSM850標準，這相當于22dBmOTA要求，因為傳導輸出功率要求設置為33dBm，而天線(xiàn)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)行評估和對比，這些OTA要求就能直接應用于50歐姆系統。

GSM功率控制架構對通話(huà)時(shí)間的影響

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

電流控制

圖4：電流控制模塊圖

圖4中的電流控制架構是一種間接控制的方案，它監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(僅當負載電阻不變時(shí))，就能非常出色地控制功率?？刂乒β实姆椒ㄊ牵和ㄟ^(guò)調整放大器的基級偏壓來(lái)控制增益，進(jìn)而實(shí)現功率控制。

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)調節集電極電壓而非基級偏壓來(lái)控制功率。

功率檢測