下一代手機設計的RF架構選擇

摘要

智能手機市場(chǎng)已經(jīng)趨于多樣化，被劃分為多個(gè)類(lèi)別，具有不同的設計目標和重點(diǎn)，這就需要不同的 RF 前端 (RFFE) 集成方法。旗艦手機是專(zhuān)為超級區域或全球范圍使用而設計的高端設備。它們需要高度集成的 RFFE 架構，例如 Qorvo 的 RF Fusion?，該架構集成了所有主要的發(fā)射和接收功能，包括支持所有主要的頻段和全球載波聚合部署。該方法最大限度地提升了性能、節省了空間，并幫助制造商僅僅在單一設計上采用一些變體 (SKU) 就能實(shí)現全球覆蓋。

相比之下，中端區域性手機對 RFFE 的要求則大不相同。為最大限度地降低手機成本，制造商設法只添加特定區域頻段所需的 RF 元件，但是，他們需要快速調整手機設計以滿(mǎn)足不同區域和客戶(hù)的需求。這就需要能夠實(shí)現設計靈活性的 RFFE 架構，例如 Qorvo 的 RF Flex?。RF Flex 集成一部手機在多個(gè)區域環(huán)境中常用的核心 RF 元件，如功率放大器和開(kāi)關(guān);然后制造商只需要添加適當的濾波器，即可迅速生產(chǎn)用于特定區域和運營(yíng)商的機型。

載波聚合的挑戰

如今，先進(jìn)的封裝技術(shù)支持將多個(gè) RFFE 元件整合到集成模塊中，幫助智能手機制造商加速新手機的設計和制造。然而，并非所有的智能手機都有相同的 RFFE 集成需求;智能手機市場(chǎng)已經(jīng)趨于多樣化，被分成多個(gè)類(lèi)別，具有不同的設計目標和重點(diǎn)。這就產(chǎn)生了下列問(wèn)題：RFFE 集成的正確水平是怎樣的?對每個(gè)智能手機類(lèi)別來(lái)說(shuō)，最好的集成方法是什么?

如今，兩個(gè)主要的智能手機類(lèi)別分別是專(zhuān)為超級區域或全球范圍使用而設計的旗艦手機，以及為區域范圍使用而設計的中端和入門(mén)級手機。這兩個(gè)類(lèi)別有著(zhù)明顯不同的設計重點(diǎn)、價(jià)位和開(kāi)發(fā)時(shí)間表。

旗艦手機設計高端、性能優(yōu)越，通常在全球范圍推出和上市，零售價(jià)不低于 500 美元。雖然旗艦手機數量相對較少，但是它們卻占了全球手機銷(xiāo)售額的很大比重，且數量還在不斷增長(cháng)。

旗艦手機的設計目標是僅僅在單一設計上采用一些變體 (SKU) 就能支持在全球范圍使用。每個(gè) SKU 都包含大量 RF 內容以支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò )和國際使用，通常支持 6 種模式和 15 個(gè)以上的 LTE 頻段。為了提供最快的數據速率，如今的旗艦手機還搭載 6 類(lèi)以上的調制解調器，并支持下行和上行載波聚合 (CA)。

對于旗艦手機的制造商來(lái)說(shuō)，限制 SKU 數量提供了關(guān)鍵的優(yōu)勢，可以降低生產(chǎn)和庫存管理的復雜度。旗艦手機的產(chǎn)品周期相對較長(cháng)，其 RF 設計要求通常固定為產(chǎn)品發(fā)布前的 12 至 18 個(gè)月。

相比之下，中端和入門(mén)級區域性手機則專(zhuān)為區域使用而設計，具備一些漫游功能。這類(lèi)手機的型號和制造商都很多，手機零售價(jià)格低于 500 美元。這個(gè)競爭激烈的細分市場(chǎng)占據了全球銷(xiāo)量的最大比重，且隨著(zhù)對價(jià)格敏感的消費者從 2G 和 3G 手機過(guò)渡到 4G LTE 手機，其增長(cháng)速度比其他細分市場(chǎng)更快，特別是像中國這樣的市場(chǎng)。

由于中端手機是專(zhuān)為區域使用而設計的，為最大限度地降低手機成本，制造商設法只添加特定區域頻段所需的 RF 元件。一部典型的中端手機支持 5 種模式和 5-8 個(gè) LTE 頻段，并搭載一個(gè) 4 類(lèi)以上的調制解調器;一些機型提供有限的載波聚合支持，主要為下行載波聚合。

瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求意味著(zhù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間非常短，需要高度的設計靈活性，尤其在中國更是如此。例如，一些手機是專(zhuān)為滿(mǎn)足單一移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商的需求而設計的。運營(yíng)商可能會(huì )在手機預定發(fā)布日期前的 2 至 6 個(gè)月才選定一個(gè)合約制造商。由于手機制造商事先并不知曉他們的客戶(hù)會(huì )是誰(shuí)，因此他們必須能夠快速地調整手機設計來(lái)適應不同的網(wǎng)絡(luò )和區域。

有些制造商專(zhuān)注于國內銷(xiāo)售，而有些制造商正在努力拓展海外市場(chǎng)。那些設法增加出口的制造商開(kāi)始在他們的中端手機中加入更多的 LTE 頻段來(lái)減少針對新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)機型所需的工程設計工作。

在本白皮書(shū)中，我們將討論這兩大智能手機類(lèi)別 – 旗艦手機和中端手機 – 的不同 RFFE 集成要求并提供適用于每個(gè)類(lèi)別的 RFFE 架構示例。

旗艦手機的 RFFE 集成

旗艦手機需要且應該具有非常高的 RFFE 集成度。為吸引消費者關(guān)注這些高端設備，制造商設法將最高級的功能和性能塞入精美的超薄手機中。RFFE 必須集成大量的頻段來(lái)支持超級區域或全球范圍的使用，同時(shí)采用多個(gè)上行和下行載波聚合組合以提高性能。另一個(gè)驅動(dòng) RFFE 集成的因素是 RFFE 在手機里可用的空間有限，因為制造商設法最大限度地增加分配給電池的空間并加入多個(gè)天線(xiàn)以提高性能。

由于旗艦手機的 RF 需求通?？芍辽偬崆耙荒甏_定，因此 RFFE 設計人員可以專(zhuān)注于將最多的功能集成到前端模塊中，而無(wú)需太擔心需求會(huì )在模塊設計周期發(fā)生改變。

專(zhuān)為旗艦手機設計的一個(gè) RFFE 架構示例是 Qorvo 的 RF Fusion，它將所有主要的發(fā)射和接收功能(包括對主要頻段的支持)都集成到三個(gè)緊湊模塊中，實(shí)現高、中、低頻段頻譜區域全覆蓋。該架構設計還支持載波聚合在全球市場(chǎng)的快速部署。每個(gè)模塊都集成了功率放大器 (PA)、開(kāi)關(guān)和濾波器。通過(guò)采用先進(jìn)的晶圓級封裝，RF Fusion 比分立元件節省了大約 30-35% 的空間。

圖 1.Qorvo RF Fusion QM78064 高頻段模塊

圖 1 所示為 RF Fusion QM78064 高頻段模塊，它同時(shí)支持 FDD-LTE(帶有集成頻段 7 雙工器)和 TDD-LTE(頻段 40 和 41)，并搭載一個(gè)支持 20 MHz + 20 MHz 上行載波聚合的寬帶 B41 LowDrift? BAW 濾波器。該模塊還配備一個(gè)天線(xiàn)開(kāi)關(guān)并支持包絡(luò )跟蹤 (ET) 和平均功率跟蹤 (APT)，以盡可能減少能源消耗。

這種將功能劃分到高、中、低頻段模塊中的 RFFE 集成方法具有幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢。

如圖 2 所示，每條通道上實(shí)現元件集成，無(wú)需對元件進(jìn)行板載匹配，從而提升了性能。這將發(fā)射和接收的匹配損耗降低多達 0.5 dB，進(jìn)而降低電流消耗和熱負荷。這種布局還在功率放大器的帶寬范圍內集成相應頻段的濾波器，確保了每個(gè)功率放大器能得到最高效的利用。每個(gè)模塊的改進(jìn)性能使制造商更容易實(shí)現手機的整體性能目標。

RF Fusion 架構也為載波聚合提供了明顯的優(yōu)勢。這一點(diǎn)對旗艦手機來(lái)說(shuō)尤為重要，因為制造商正在快速添加載波聚合支持。一些組合了寬間隔頻段(例如低頻段和高頻段)的聚合存在諧波干擾的風(fēng)險。低頻段諧波進(jìn)入高頻段的接收頻率，可能會(huì )使接收器靈敏度下降。將這些頻段拆分到不同的模塊，可增加它們之間的物理隔離，從而減少諧波干擾的可能性。該架構還有助于支持窄間隔頻段的聚合和帶內載波聚合，因為支持特定聚合的多路復用器可以集成到每個(gè)模塊中(例如，RF Fusion QM78013 中頻段模塊搭載一個(gè)支持 B1+B3 載波聚合的四工器)。

RF Fusion 的高度集成有助于制造商簡(jiǎn)化和加速手機設計和開(kāi)發(fā)。制造商可從單一來(lái)源集成三個(gè)模塊，而無(wú)需挑選、匹配、集成 30 個(gè)或更多的分立元件。這就提高了制造產(chǎn)量并降低了元件失效的風(fēng)險。簡(jiǎn)化的設計和改進(jìn)的性能降低了錯失產(chǎn)品預定發(fā)布日期和不符合運營(yíng)商標準的風(fēng)險。

針對區域性中端手機的 RFFE 設計靈活性

與全球性高端手機相比，區域性中端手機有著(zhù)明顯不同的 RFFE 要求。由于手機價(jià)格在這個(gè)競爭激烈的細分市場(chǎng)中尤為關(guān)鍵，制造商通常設法只添加每個(gè)目標區域或運營(yíng)商需要的 RF 元件。設計靈活性至關(guān)重要，因為制造商必須能夠快速調整手機以適應不同的區域;他們通常只有幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)手機和符合運營(yíng)商標準，甚至在該期間內，具體需求還可能會(huì )出現改變。

為了以最低的成本快速開(kāi)發(fā)手機型號，制造商需要盡可能減少對 RFFE 架構工程設計的投入精力，以便能夠通過(guò)添加每個(gè)區域或運營(yíng)商所需的特定頻段來(lái)快速調整手機設計。通常，制造商希望僅使用一個(gè)印刷電路板 (PCB) 布局，通過(guò)添加不同的 RF 元件即可生產(chǎn)多個(gè) SKU。

為滿(mǎn)足這些中端手機的需求，需要采用一種不同于旗艦手機的 RFFE 集成方法。Qorvo 的 RF Flex 就是這種方法的一個(gè)例子，它提供了廣泛的模塊組合，旨在為中端智能手機制造商提供靈活性，以快速地生產(chǎn)出不同的機型。

每個(gè) RF Flex 模塊都集成了核心 RF 元件，通用于手機的多個(gè)區域性變體。如今，這些元件通常是功率放大器 (PA) 和開(kāi)關(guān)。制造商只需添加特定運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )和區域所需的濾波器，即可快速地生產(chǎn)區域性手機變體。

RF Flex 為制造商提供設計靈活性，使他們能夠通過(guò)僅采用所需 RF 組件來(lái)最大程度降低手機成本。同時(shí)，這種方法也在有意義的地方應用集成，實(shí)現了諸多好處，例如節省空間和簡(jiǎn)化設計等。

RF Flex 架構還具有可擴展性，對于尋求全球擴展功能的制造商尤為寶貴;他們可以設計一款用于國內的機型，并可迅速添加更多濾波器，從而支持其他國家/地區所使用的頻段。

場(chǎng)景 1 制造商設計了一款采用 RF5422 多頻段 PA 模塊和 RF5228 高級發(fā)送模塊的中端手機。RF5422 提供所有必要的 3G 和 4G PA 功能;RF5228 為所有頻段提供 2G 支持和天線(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。針對中國市場(chǎng)，制造商添加了濾波器以支持 1、3、8、34、39、40 和 41 頻段。通過(guò)簡(jiǎn)單添加頻段 7 和 20 的濾波器，即可針對歐洲的使用來(lái)對相同設計進(jìn)行擴展。制造商可以在兩個(gè)區域使用相同的 PCB 設計，并根據需要在 PCB 中添加濾波器。

場(chǎng)景 2 RF5422 最多支持 5 個(gè)低頻頻段，足以滿(mǎn)足許多中端手機的需要。當制造商需要支持其他低頻頻段時(shí)，就可以轉而使用 RF5427，這是一款低頻和極低頻段的模塊，最多支持 7 個(gè)頻段。RF5427 結合 RF5426 中頻和高頻模塊使用，可提供全頻段覆蓋范圍。結合使用時(shí)，這兩個(gè)模塊還可提供額外的隔離功能，協(xié)助高頻段和低頻段的載波聚合組合功能。

圖 3.通過(guò)具體場(chǎng)景說(shuō)明 RF Flex 架構如何實(shí)現設計靈活性。

結論

為滿(mǎn)足旗艦手機和中端手機的不同要求，需要使用不同的 RFFE 集成方法。高度集成模塊(如 Qorvo 的 RF Fusion 產(chǎn)品)最大限度地為面向全球市場(chǎng)的旗艦手機提升了性能、節省了空間。核心 RF 功能的針對性集成(如 Qorvo 的 RF Flex 模塊)實(shí)現了中端手機的設計靈活性，使制造商能夠快速調整手機以適應不同運營(yíng)商和區域的需求。

中端手機和旗艦手機的 RF 內容將隨著(zhù)更多頻段和載波聚合組合的部署而逐漸增加。中端手機和旗艦手機的 RF 模塊都將相應地變得越來(lái)越集成化，同時(shí)保留每個(gè)類(lèi)別所要求的顯著(zhù)特征。