深度解析高通RF360移动射频前端解决方案 - 全文

　　智能手机内部的印刷电路板（PCB）区域已成为移动终端第二大最珍贵且竞争最激烈的领域，仅次于无线电频谱。具有讽刺意味的是，本来为缓解带宽稀缺问题而出现的新增无线电频段的扩展，却恰恰加剧了智能手机内PCB空间的压力。更多的频段需要更多独立的射频（RF）前端元件，如功率放大器、多频带开关、双工器、滤波器以及匹配元件等。加上对更大屏幕、四核应用处理器、无线连接、电池和附加元件的需求，全部这些都要被封装在超薄外壳内，显而易见，再没有多余的空间来扩大射频前端，何况要满足单一SKU覆盖全球LTE漫游所需的两倍或三倍频段扩展（见图1）。

　　

　　图1 典型智能手机中有限的PCB空间

　　美国高通技术公司（QTI）推出的Qualcomm®RF360射频前端解决方案，旨在解决这一问题以及其它相关问题。该解决方案有一个高度集成的射频前端，基本整合了调制解调器和天线之间的所有基本组件，包括：集成天线开关的射频功率放大器、无线电收发器、天线匹配调谐器和包络功率追踪器。这是一个 “360度全方位”方案，能够简化和解决蜂窝射频前端面临的众多复杂挑战。首先，该方法能够通过改进性能和尺寸来实现产品频带扩展和延伸，从而使产品具备最强的吸引力，并缩减单一SKU设计尺寸来实现显著生产规模优势的最大化。该前端解决方案于今年2月发布，OEM厂商采用该方案的产品预计将在2013年晚些时候推出。该前端从设计之初就是一个完整的系统级解决方案，可以与终端的调制解调器、收发器以及传感器交互工作，实现全新的独特性能提升。

　　设计方法

　　在广泛的技术层面，在2G和3G网络在全球的的覆盖范围不断扩大的基础上，前端设计主要用于解决伴随4G LTE（FDD和TDD）扩展带来的射频频段不统一问题，以及在不增加空间需求或影响性能的前提下满足在单一终端或尽量少的SKU上支持所有相关频段的需求。

　　在经济层面，该前端设计旨在帮助蜂窝终端制造商扩大生产规模，并显著降低成本。相比之前OEM厂商需要多达10个不同的设计才能满足全球所需LTE频段组合的需求，现在3个或甚至更少的设计就可以实现，而且无需改变电路板布局或增加电路板空间就可以处理这些设计的差异。

　　射频频段扩展，而不增加PCB空间

　　当今射频面临的核心挑战是解决服务需求和网络容量爆炸式增长所需的更多蜂窝频段——目前全球频段总数已达到40个。另外，OEM厂商需要同时推出多部手持终端以实现其产品投资的最大化回报，这进一步加剧了挑战的复杂性。移动终端制造商不得不为每款终端推出多个版本，每个版本产量有限，使用的传统射频解决方案只能处理个别频段，或者在单一终端中集成多个芯片组，以实现更大的覆盖范围。

　　美国高通公司的解决方案通过单一电路板级SKU 解决了射频频带扩展的挑战。该SKU模块支持各种模式和频段（从GSM之后的所有主要蜂窝制式和目前3GPP协议中包括的全部频段）的组合，支持全球漫游，特别是4G LTE。在没有单一射频解决方案可以处理全球所有频段的情况下，不采用强制方法组合大量离散零件怎么可能实现呢？这需要整合关键技术，将所有的关键技术都集成到美国高通公司的解决方案内，将其优化成为一个端对端系统。

　　包络功率追踪器

　　第一个关键技术是包络功率追踪器（ET），它根据信号的瞬态需求来调整功率放大器（PA）电源，。该技术是传统平均功率追踪器（APT）的升级，APT根据功率水平分组而不是瞬时信号需求来调整功率放大器的供电量。使用APT技术时，未使用的电量不仅浪费电池电力，而且还会产生余热，这增加了对散热空间的需求（见图2a）。而借助包络追踪器，电量的提供取决于被传输信号内容的瞬时需要（见图2b）。

　　

　　图2 采用平均功率追踪器（a）的功率损失与采用功率包络追踪器（b）的功率节省量对比

　　包络功率追踪器与终端调制解调器交互工作，调整传输功率以满足被传输内容的瞬时需求，而不是在恒定功率下的长时间间隔后调整。这是业内首个用于3G/4G LTE移动终端的调制解调器辅助包络追踪器，它将功耗降低最高达20％，发热降低近30％（基于QTI的测试和分析）。这延长了电池续航时间，降低了智能手机超薄机身内部的发热。

　　包络追踪器与调制解调器一起运行，检测瞬时功率需求，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，进而衍生出完全集成的射频前端系统级芯片这一想法。系统级芯片是指先进的3D封装技术，现在已可用于射频前端。

　　RF POP

　　美国高通公司前端解决方案的第二个关键技术是业内首次使用的3D 射频封装或RF POPTM解决方案，采用先进的3D封装技术，单一封装内集成了单芯片多模功率放大器和天线开关（AS），并将滤波器和双工器集成到一个单一基底中，然后将基底置于基础组件之上，整合成一个单一的“3D”芯片组组合，从而降低了整体的复杂性，摒弃了当今射频前端模块中常见的引线接合。集成功率放大器和天线开关的封装作为基底层，管脚对所有频段配置都一致，包含滤波器和双工器的封装针对全球和/或多地区频段组合进行配置，置于PA/AS基底之上，就像在一个通用基底上定制的“顶”。这一组合厚一毫米，在电路板上所占的面积只有美国高通公司前代射频前端解决方案的一半。重要的是，针对不同地区的定制终端无需更改电路板布局，因为基础PA/ AS层可以保持不变（见图3）。

　　

　　图3 射频POP 3D设计CMOS前端

　　这种设计基于可支持700MHz到2.7GHz的全球LTE频段以及传统2G/3G频段的架构，降低了“顶”部简化版本所需的本地RF频段定制。借助RF POP方案，两三个PCB设计现在就可以实现此前的数十个或更多设计才能达到的全球支持，因为多频段配置可以使用相同的电路板布局。这为推动LTE生产规模效益创造了可能性，效果正如四频之于GSM以及五频之于3G 。

　　相比之下，基于PCB模块的传统解决方案混合搭配不同技术，如基于 GaAs和基于CMOS的组件，成为单一终端运行环境下的最佳解决方案。要适应更广泛的环境则更为复杂，在某些情况下还会导致单一终端内存在多个并行解决方案。取决于设计的频段组合，这些并行解决方案需要多个功率放大器、更多的独立芯片以及相关的引线结合，这会带来辐射干扰，增加了阻抗匹配需求，因而阻碍了技术集成。如果需要更多频段，必须改变电路板（其中包括尺寸增加的可能性），并减少每一个独特设计的数量（见图4）。

　　

　　图4 并行的传统射频前端独立设计

　　自适应天线调谐器

　　第三个关键技术是自适应天线调谐。更薄、更时尚的移动终端设计让射频问题变得更加严峻，即用户的手掌和头部与天线的实际距离变得更近，这使天线受到目标频率的干扰；这是除了用户手掌和/或头部的物理障碍造成基站信号衰减外，另一个导致信号丢失的原因。基站需要向移动终端发送指令增加传输功率以补偿丢失的信号。如果终端传输功率升高，那么电池的消耗也会加快。如果终端已经处于最大传输功率，那么通话就会受到影响，甚至导致掉话（见图5）。

　　

　　图5 传统射频前端信号干扰导致功耗增加或掉话

　　

　　图6 美国高通公司RF360信号干扰启动重新调谐

　　相比之下，美国高通公司的系统与终端的传感器相配合，监测天线信号干扰和增益信号损失，此外，调制解调器还能指导天线匹配调谐器重新调谐到正确的频率。这就避免了因补偿越限频率传输造成的功率增加，功率只需增加到能够补偿物理障碍产生的信号衰减即可（见图6）。

　　功率放大器性能

　　美国高通公司RF360解决方案采用全面系统设计打造全CMOS射频前端。在过去，与基于模块并采用GaAs/CMOS混合技术的解决方案相比，该前端被认为不足以满足蜂窝功率的性能需求。然而，QTI的测试已经证明，在广泛的传输功率水平上，仅使用当前一代支持包络功率追踪的CMOS集成方案与使用当下平均功率追踪的常规功率放大器相比，传输功率性能（TX功率产生的功耗）不相上下（见图7）。

　　

　　图7 功率放大器性能对比

　　

　　图8 TX功率使用形态

　　美国高通公司的支持包络追踪的解决方案与传统的平均功率追踪的解决方案相比，在不同功率水平上的差异很小。根据QTI在美国加州乡村地区（2013年，连续监测7天，从早8点到晚8 点）以及洛杉矶市区（2011年，连续监测1天，从早6点至晚7点）的各个商用网络上实地收集的数据，包络追踪器系统已在性能效率方面做了优化，在现实世界最常用的功率范围内提供最佳的通话时间和数据传输（见图8），而且即使超出了这些最常用的传输功率范围，其性能也接近传统的功率放大器。

　　当基于高/低频段的实际功率使用分布来衡量功率性能时，使用美国高通公司RF360解决方案的功率放大器在总功耗上与乡村地区的传统功率放大器几乎相同，比城市地区的传统功率放大器还要略低一些（见图9）。

　　

　　图9 基于使用的总功耗对比

　　图10 采用天线调谐的TX功率使用分布转移

　　值得注意的是，这些性能对比不包括使用高精度模拟电路进行优化功率放大器和ET操作带来的提升，例如，通过增加多个可编程增益状态。天线调谐增益也没有计入比较。QTI测试表明，2 dB增益来自于天线调谐，它将TX电源使用曲线的频率在使用形态分布内向“左”转移–2 dB（见图10）。

　　将这些转移的TX功率使用频率分布计入性能分析，能体现出总功耗的进一步提升。因此，即使没有功率放大器优化和天线调谐增益，整体系统性能也能满足当下的需求，且与现有的前端解决方案不分上下，而且PCB空间需求更小，射频频段可扩展性更大。

　　结论

　　美国高通公司的前端解决方案是一个创新集合体：

　　首款采用集成天线开关的完全集成式单芯片多模、多频段CMOS的功率放大器首个堆栈式RF POP解决方案（3D封装），缩小了射频前端的空间，同时实现了通用电路板布局，并简化RF频段定制或扩展首个支持LTE的CMOS功率放大器首个采用包络追踪的CMOS功率放大器首个动态重构LTE多模天线调谐器总体来说，它是第一款包括调制解调器和天线之间一切元件的、完全集成并基于CMOS的射频前端该解决方案重点解决全球LTE频带扩展对移动终端的经济规模生产，以及极其有限的PCB空间所带来的直接挑战。RF POP方案实现了一个通用全球电路板级设计，它具有简化的射频频带扩展或定制，可以帮助恢复终端的设计和生产规模。更小的射频前端空间、散热空间需求和尺寸，以及更长的电池寿命，成就了外形超薄、功能强大且高效的终端设计。此外，该解决方案现已开始出样，旨在满足实现LTE规模经济和全球漫游的紧迫挑战。