下一代手机设计的RF架构选择

摘要

智能手机市场已经趋于多样化，被划分为多个类别，具有不同的设计目标和重点，这就需要不同的 RF 前端 （RFFE） 集成方法。旗舰手机是专为超级区域或全球范围使用而设计的高端设备。它们需要高度集成的 RFFE 架构，例如 Qorvo 的 RF Fusion™，该架构集成了所有主要的发射和接收功能，包括支持所有主要的频段和全球载波聚合部署。该方法最大限度地提升了性能、节省了空间，并帮助制造商仅仅在单一设计上采用一些变体 （SKU） 就能实现全球覆盖。

相比之下，中端区域性手机对 RFFE 的要求则大不相同。为最大限度地降低手机成本，制造商设法只添加特定区域频段所需的 RF 元件，但是，他们需要快速调整手机设计以满足不同区域和客户的需求。这就需要能够实现设计灵活性的 RFFE 架构，例如 Qorvo 的 RF Flex™。RF Flex 集成一部手机在多个区域环境中常用的核心 RF 元件，如功率放大器和开关；然后制造商只需要添加适当的滤波器，即可迅速生产用于特定区域和运营商的机型。

载波聚合的挑战

如今，先进的封装技术支持将多个 RFFE 元件整合到集成模块中，帮助智能手机制造商加速新手机的设计和制造。然而，并非所有的智能手机都有相同的 RFFE 集成需求；智能手机市场已经趋于多样化，被分成多个类别，具有不同的设计目标和重点。这就产生了下列问题：RFFE 集成的正确水平是怎样的？对每个智能手机类别来说，最好的集成方法是什么？

如今，两个主要的智能手机类别分别是专为超级区域或全球范围使用而设计的旗舰手机，以及为区域范围使用而设计的中端和入门级手机。这两个类别有着明显不同的设计重点、价位和开发时间表。

旗舰手机设计高端、性能优越，通常在全球范围推出和上市，零售价不低于 500 美元。虽然旗舰手机数量相对较少，但是它们却占了全球手机销售额的很大比重，且数量还在不断增长。

旗舰手机的设计目标是仅仅在单一设计上采用一些变体 （SKU） 就能支持在全球范围使用。每个 SKU 都包含大量 RF 内容以支持多个网络和国际使用，通常支持 6 种模式和 15 个以上的 LTE 频段。为了提供最快的数据速率，如今的旗舰手机还搭载 6 类以上的调制解调器，并支持下行和上行载波聚合 （CA）。

对于旗舰手机的制造商来说，限制 SKU 数量提供了关键的优势，可以降低生产和库存管理的复杂度。旗舰手机的产品周期相对较长，其 RF 设计要求通常固定为产品发布前的 12 至 18 个月。

相比之下，中端和入门级区域性手机则专为区域使用而设计，具备一些漫游功能。这类手机的型号和制造商都很多，手机零售价格低于 500 美元。这个竞争激烈的细分市场占据了全球销量的最大比重，且随着对价格敏感的消费者从 2G 和 3G 手机过渡到 4G LTE 手机，其增长速度比其他细分市场更快，特别是像中国这样的市场。

由于中端手机是专为区域使用而设计的，为最大限度地降低手机成本，制造商设法只添加特定区域频段所需的 RF 元件。一部典型的中端手机支持 5 种模式和 5-8 个 LTE 频段，并搭载一个 4 类以上的调制解调器；一些机型提供有限的载波聚合支持，主要为下行载波聚合。

瞬息万变的市场需求意味着产品开发时间非常短，需要高度的设计灵活性，尤其在中国更是如此。例如，一些手机是专为满足单一移动网络运营商的需求而设计的。运营商可能会在手机预定发布日期前的 2 至 6 个月才选定一个合约制造商。由于手机制造商事先并不知晓他们的客户会是谁，因此他们必须能够快速地调整手机设计来适应不同的网络和区域。

有些制造商专注于国内销售，而有些制造商正在努力拓展海外市场。那些设法增加出口的制造商开始在他们的中端手机中加入更多的 LTE 频段来减少针对新市场开发机型所需的工程设计工作。

在本白皮书中，我们将讨论这两大智能手机类别 – 旗舰手机和中端手机 – 的不同 RFFE 集成要求并提供适用于每个类别的 RFFE 架构示例。

旗舰手机的 RFFE 集成

旗舰手机需要且应该具有非常高的 RFFE 集成度。为吸引消费者关注这些高端设备，制造商设法将最高级的功能和性能塞入精美的超薄手机中。RFFE 必须集成大量的频段来支持超级区域或全球范围的使用，同时采用多个上行和下行载波聚合组合以提高性能。另一个驱动 RFFE 集成的因素是 RFFE 在手机里可用的空间有限，因为制造商设法最大限度地增加分配给电池的空间并加入多个天线以提高性能。

由于旗舰手机的 RF 需求通常可至少提前一年确定，因此 RFFE 设计人员可以专注于将最多的功能集成到前端模块中，而无需太担心需求会在模块设计周期发生改变。

专为旗舰手机设计的一个 RFFE 架构示例是 Qorvo 的 RF Fusion，它将所有主要的发射和接收功能（包括对主要频段的支持）都集成到三个紧凑模块中，实现高、中、低频段频谱区域全覆盖。该架构设计还支持载波聚合在全球市场的快速部署。每个模块都集成了功率放大器 （PA）、开关和滤波器。通过采用先进的晶圆级封装，RF Fusion 比分立元件节省了大约 30-35% 的空间。

图 1.Qorvo RF Fusion QM78064 高频段模块

图 1 所示为 RF Fusion QM78064 高频段模块，它同时支持 FDD-LTE（带有集成频段 7 双工器）和 TDD-LTE（频段 40 和 41），并搭载一个支持 20 MHz + 20 MHz 上行载波聚合的宽带 B41 LowDrift™ BAW 滤波器。该模块还配备一个天线开关并支持包络跟踪 （ET） 和平均功率跟踪 （APT），以尽可能减少能源消耗。