未來(lái)手機RF前端設計挑戰

　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

　　圖6：功率檢測模塊圖。

　　本文中介紹的最后一個(gè)架構是功率檢測(如圖6所示)。這種方法將一部分信號耦合回檢波器，檢波器通過(guò)比較輸出電壓和參考電壓來(lái)檢測功率。這種功率控制方法的準確性也很高，失配主要取決于耦合器的方向和反饋回路中的誤差。該架構的缺點(diǎn)是，增加了耦合器的輸出損耗和組件成本，因為它需要更多電路來(lái)實(shí)現功率控制功能。

　　在非常簡(jiǎn)短地回顧了基本功率控制架構后，下面重點(diǎn)介紹器件的評估測試，采用的是能夠反映實(shí)際性能，并直接影響通話(huà)時(shí)間、電池壽命和呼叫接收效果等用戶(hù)滿(mǎn)意度指標的方式。首先，為了解實(shí)際環(huán)境，必須描述天線(xiàn)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(hù)和手機的位置。綜合這些考量因素，用于對比的基準定為3:1VSWR。選擇該值的原因是因為它能很好地體現實(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，從而導致比較結果有誤差。為正確描述這些產(chǎn)品，必須進(jìn)行負載牽引測試，用這種方法設計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。

　　
負牽引的設置

　　圖7：負載牽引的設置。

　　通過(guò)圖8和圖9可以看出，即使采用不同架構實(shí)現了功率控制功能，在實(shí)際環(huán)境中的性能還是有可能出現很大差異。這意味著(zhù)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，在這三種維持到負載的恒定輸出功率的方法中，電流控制是表現最差的一種。在GSM850頻段，電流控制和功率檢測方法有大概1.5dB的差異。功率檢測機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(huà)時(shí)間會(huì )較長(cháng)，但實(shí)際環(huán)境中并非如此。

　　例如，如果手機工作在29dBm(這是GSM系統中最常見(jiàn)的功率值)，基站實(shí)際上會(huì )要求手機將功率值從29dBm提高到31dBm，因為輸出功率無(wú)法滿(mǎn)足當前功率控制電平(PCL)。這反過(guò)來(lái)會(huì )增加電流消耗，最終縮短通話(huà)時(shí)間。另一個(gè)需考慮的則是電流消耗所取得的優(yōu)勢。
在手機中，如果電流控制機制在這些情況下提供了足夠輸出功率，能夠滿(mǎn)足運營(yíng)商的OTA要求，則無(wú)須擔心進(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省電流消耗。在查看圖10時(shí)，請考慮以下問(wèn)題：如果所有解決方案交付的功率均相同，那么它們會(huì )對終端用戶(hù)有何影響?

　　對于電壓控制和功率檢測方法而言，可將50歐姆校準設置為降低1dB，但仍滿(mǎn)足相同的輸出功率要求。ETSI傳導規范指定，對于PCL5，正常情況下的功率為33dBm±2dB。這意味著(zhù)為達到傳導性能，針對PCL5，手機必須至少輸出31dBm?？紤]到留出余量的需求，最安全的校準值應為31.5dBm。如果需要更大的余量，則設計人員可將手機調相至50歐姆環(huán)境中為32dBm，從而大幅節約電流。圖11中詳細介紹了與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，對這三個(gè)解決方案的電流與輸出功率進(jìn)行了的對比。這證明了如果設計人員要實(shí)現相同的輸出功率以滿(mǎn)足OTA需求，那么電流控制方案中的輸出功率就需要調整為33dBm，功率檢測方案的輸出功率與之相比要小1dB。最終的結果是在滿(mǎn)功率工作時(shí)，50歐姆環(huán)境下可節省180mA電流，從而延長(cháng)電池壽命和通話(huà)時(shí)間。

　　在節省電流的同時(shí)，并未犧牲任何實(shí)際輸出功率OTA性能。降低調相目標的另一優(yōu)勢是，降低了吸收率(SAR)，且減少了諧波的生成，因為在滿(mǎn)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。

　　如果設計人員對該方法不感興趣，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。但提高輸出功率后，每個(gè)設計人員都面臨著(zhù)多時(shí)隙GPRS情形下輻射能量無(wú)法達到SAR要求的可能性。而設計更優(yōu)的、VSWR容差性能良好的器件通過(guò)限制低阻抗狀態(tài)下的輸出功率，使手機工作在較高功率水平時(shí)仍能滿(mǎn)足SAR要求(參見(jiàn)圖12)。

　　
優(yōu)化OTA性能

　　圖12說(shuō)明，如果手機設計人員希望優(yōu)化OTA性能，那么電壓控制和功率檢測解決方案與電流控制解決方案相比，其調相目標要高出0.5到0.75dB。從統計角度看，較高的調相目標會(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)境下設定的功率要高于電流控制方案的功率。這使得設計人員能夠開(kāi)發(fā)出在運營(yíng)商要求的OTA性能方面比競爭對手更為優(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，以及是否能根據不同地區定制性能。從圖3，即手機天線(xiàn)VSWR性能示意圖中可以看出，如果需要的話(huà)，可以通過(guò)調諧來(lái)為提高RX性能而降低TX性能。圖中的紫色軌跡表示手機放在頭部附近的傳統通話(huà)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，設計人員就能根據其具體設計中的側重點(diǎn)，靈活地權衡參數。

　　總之，失配情況下評估方案的重要性必須得到重視。這為設計人員打開(kāi)了新思路，他們能以前所未有的方式進(jìn)行系統級性能權衡。如果只是根據50歐姆實(shí)驗室測試來(lái)檢測解決方案，可能會(huì )導致無(wú)法正確選擇合適的設計架構。

　　由圖10可知，這三種解決方案都能執行相應功能，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)際應用卻有很大不同。關(guān)注OTA性能可使設計者更為靈活地定制產(chǎn)品，以實(shí)現更優(yōu)的功耗、OTA功率或RX性能。

　　為此，設計人員應開(kāi)放思路，采用新方法來(lái)進(jìn)行RF前端評估，并作出真正能夠影響用戶(hù)滿(mǎn)意度的決策，如降低呼損率，延長(cháng)電池壽命等。隨著(zhù)終端客戶(hù)的使用體驗的改進(jìn)，手機的品牌形象也會(huì )大幅提升，最終提高消費者需求量和運營(yíng)商的采用率。