射頻前端設(shè)計(jì)中的功率等級(jí)基礎(chǔ)知識(shí)

伴隨更多頻段的增加和愈發(fā)復(fù)雜的移動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)，蜂窩通信市場(chǎng)已發(fā)生巨大變化。隨著4G和5G的部署，3GPP的最新規(guī)范已將PC2引入FDD頻段，更高的發(fā)射功率水平也由此帶來(lái)了與之相關(guān)的全新挑戰(zhàn)。下面，就讓我們回顧一下PC2的基礎(chǔ)知識(shí)，并深入探討PC2如何隨著這些新的5G部署而演進(jìn)。

功率等級(jí)基礎(chǔ)知識(shí)

在TS36.101和TS38.101-1等3GPP規(guī)范中，發(fā)射功率通常指的是移動(dòng)設(shè)備在給定信道帶寬上傳導(dǎo)輸出端口所提供的額定功率。這些傳導(dǎo)輸出端口與在實(shí)際手機(jī)操作中用于信號(hào)發(fā)射和接收的真實(shí)天線相關(guān)聯(lián)。3GPP針對(duì)用戶設(shè)備（UE）的最大傳導(dǎo)發(fā)射功率定義了功率等級(jí)類別，以確保在不同網(wǎng)絡(luò)條件下的性能。

射頻（RF）規(guī)范中的要求通常會(huì)根據(jù)不同頻率范圍（FR）分別定義。本規(guī)范版本中，用于NR操作的頻率范圍如表1所示。

表1，3GPP對(duì)頻率范圍的定義

在本文的討論中，我們將僅涉及FR1中的功率等級(jí)。FR1中定義了四個(gè)不同的功率等級(jí)；每個(gè)等級(jí)都針對(duì)4G LTE和5G NR頻譜內(nèi)特定設(shè)備的要求和使用場(chǎng)景進(jìn)行了定制（包括PC1、1.5、2、3和4）。所有FR1頻段默認(rèn)支持功率等級(jí)3，但其它等級(jí)的支持情況因頻段而異。

PC1——面向固定無(wú)線、車載應(yīng)用，以及公共安全等高功率場(chǎng)景。FR1 PC1針對(duì)部分選定頻段，最大功率約為31dBm。

PC1.5——針對(duì)如n41、n77和n79等頻段，滿足智能手機(jī)和FWA設(shè)備的需求。此類UE的最大輸出功率為29dBm，在2Tx配置下實(shí)現(xiàn)。

PC2——面向NR TDD頻段內(nèi)CA和高功率UE，最大發(fā)射功率為26dBm。

PC3——除非另有規(guī)定，否則此等級(jí)為默認(rèn)功率等級(jí)；在所有頻段上的最大發(fā)射功率為23dBm。

PC3針對(duì)移動(dòng)手持設(shè)備優(yōu)化了功率效率。

如最大功率額定值配置為23dBm或更低，或UE未提供最大上行鏈路功率等級(jí)額定值，則UE將使用PC3運(yùn)行。

下表提供了3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織規(guī)定的FR1頻段及其最大功率額定值的組合。下表僅供參考；請(qǐng)通過(guò)表下方的3GPP鏈接查閱最新版本的規(guī)范。

表2，3GPP規(guī)定的FR1功率等級(jí)額定值（來(lái)源：3gpp.org）

深入探討功率等級(jí)2

我們?cè)谥暗奈恼轮性峒?，PC2作為4G LTE的一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)于2016年12月推出，旨在支持高功率用戶設(shè)備（HPUE），并增強(qiáng)2.5GHz LTE TDD的全球覆蓋。文中指出，F(xiàn)R1內(nèi)的高頻信號(hào)由于路徑損耗較大，相比低頻信號(hào)在同一功率水平下的傳播距離更短。為解決這一路徑損耗問(wèn)題而不增設(shè)昂貴的信號(hào)塔，并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，PC2應(yīng)運(yùn)而生。此外，這些較高頻率需要穿透建筑物以支持室內(nèi)通信；同時(shí)，PC2還能在更理想的條件下提高基站接收到的信號(hào)強(qiáng)度，使網(wǎng)絡(luò)能夠獲得更好的信噪比（SNR），并啟用更高階的調(diào)制方式，以提高數(shù)據(jù)吞吐量。

在此之前，即2016年12月之前的標(biāo)準(zhǔn)——功率等級(jí)3（PC3），為保持與舊技術(shù)的兼容性，將B41等頻段的上行鏈路功率限制在23dBm。如下圖1所示，功率等級(jí)2允許輸出功率達(dá)到26dBm——擴(kuò)大了之前由功率等級(jí)3定義的最大覆蓋范圍。

圖1，網(wǎng)絡(luò)中功率等級(jí)2與3的輸出功率水平

盡管功率有所提升，但HPUE手機(jī)仍必須遵守美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）和其它監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定的特定吸收率（SAR）限制，以確保輻射水平安全（SAR值反映了無(wú)線手持設(shè)備用戶頭部、手部等部位吸收到的相對(duì)射頻能量）。對(duì)于TDD系統(tǒng)，PC2傳輸通過(guò)限制占空比來(lái)減少平均吸收的能量。隨著FDD PC2的引入，發(fā)射和接收操作不再存在雙工占空比，因此必須對(duì)PC2傳輸實(shí)施時(shí)間限制，以確保隨時(shí)間推移所吸收的平均能量保持在可接受水平。

從RF前端模塊的角度來(lái)看，分析表明，將TDD頻段功率提升至26dBm可以在相關(guān)發(fā)射占空比下延長(zhǎng)電池壽命，改善小區(qū)邊緣覆蓋，并在更典型的運(yùn)行條件下提高吞吐量。預(yù)計(jì)FDD PC2的加入將進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行并延長(zhǎng)用戶電池壽命。

PC2的射頻挑戰(zhàn)

對(duì)于支持更高頻率的前端RF來(lái)說(shuō)，支持PC2功率等級(jí)面臨一些挑戰(zhàn)。首先是效率問(wèn)題；其直接關(guān)系到電池壽命。更高的功率要求低損耗的后級(jí)功率放大器（PA）陣容，包括性能更高的聲學(xué)濾波器。這些濾波器必須在提供足夠帶外（OOB）抑制的同時(shí)，保持低插入損耗；此外還必須解決發(fā)射鏈路中的諧波和其它雜散信號(hào)生成問(wèn)題，以滿足手機(jī)級(jí)要求；因?yàn)檫@些信號(hào)的水平通常會(huì)隨著功率的提高而增加。同樣，在高功率、高VSWR條件下，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，濾波器和功率放大器都更容易損壞，因此高功率等級(jí)下的堅(jiān)固性也是一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。

FDD PC2系統(tǒng)不僅需要應(yīng)對(duì)所有TDD PC2面臨的挑戰(zhàn)，還有更多額外考量。隨著功率水平的提高，如果接收頻段內(nèi)的發(fā)射泄漏和發(fā)射噪聲等RF參數(shù)未得到妥善管理，接收靈敏度可能會(huì)受到影響。如果多路復(fù)用器在一個(gè)特定頻段內(nèi)為了達(dá)到PC3發(fā)射功率條件下的接收靈敏度目標(biāo)而需要60dB的發(fā)射到接收隔離度，那么可以合理推測(cè)，在發(fā)射功率高出3dB的情況下，可能需要63dB的隔離度。此外，由于功率水平在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持較高，提高效率和采用額外的熱管理方法也極為關(guān)鍵。

射頻設(shè)計(jì)工程師必須盡量減少匹配損耗，優(yōu)化系統(tǒng)鏈路預(yù)算，以滿足 PC2 的性能要求。Qorvo采用高度集成的模塊、天線復(fù)用器、優(yōu)質(zhì)開(kāi)關(guān)技術(shù)和高性能射頻濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。Qorvo 的 RF Flex 和 RF Fusion 等集成射頻模塊將濾波器、開(kāi)關(guān)和功率放大器集成在一起，實(shí)現(xiàn)了直接匹配，并將Tx和Rx通路的匹配損耗降低了0.5dB。這種降低有助于實(shí)現(xiàn)26dBm的輸出目標(biāo)，而不會(huì)使功率放大器過(guò)載。

圖2，Qorvo射頻融合模塊

體聲波（BAW）技術(shù)以其高Q值、低雜散信號(hào)、陡峭的帶緣和卓越的熱性能，帶來(lái)了出色的表現(xiàn)，成為滿足5G PC2要求、降低高功率水平下系統(tǒng)熱量的理想選擇。隨著5G設(shè)備變得愈發(fā)復(fù)雜，高效的設(shè)計(jì)對(duì)于維持性能舉足輕重。

圖3，Qorvo BAW濾波器優(yōu)勢(shì)

Qorvo的BAW濾波器，無(wú)論是分立器件還是模塊內(nèi)集成，都憑借其卓越的衰減性能和低插入損耗，在解決共存問(wèn)題方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用；這對(duì)于避免干擾和優(yōu)化B41頻段鏈路預(yù)算至關(guān)重要。此外，針對(duì)5G頻段n77、n78和n79的濾波器得益于優(yōu)化的耦合設(shè)計(jì)，在PC2載波聚合（CA）應(yīng)用中設(shè)計(jì)多路復(fù)用器時(shí)同樣扮演了不可或缺的角色。

隨著RF前端復(fù)雜性不斷增加，工程師面臨著在滿足多個(gè)CA和區(qū)域模式要求的同時(shí)最小化天線數(shù)量的難題。此類問(wèn)題可以通過(guò)使用集成到天線復(fù)用器中的開(kāi)關(guān)、濾波器以及高性能天線調(diào)諧解決方案來(lái)解決。這些組件簡(jiǎn)化天線設(shè)計(jì)，將插入損耗降至最低，在降低復(fù)雜性的同時(shí)保持最佳的共存性能。隨著PC2被引入更多頻段，應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)對(duì)于下一代設(shè)計(jì)變得更加重要。

結(jié)語(yǔ)

在日新月異的RF前端設(shè)計(jì)中，頻段數(shù)量的增加、頻率的提升，以及載波聚合技術(shù)的擴(kuò)展，無(wú)一不持續(xù)帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。盡管功率等級(jí)2頗具挑戰(zhàn)性，但RF工程師與專業(yè)RF供應(yīng)商攜手合作，仍能有效應(yīng)對(duì)。諸如Qorvo的BAW濾波器等高性能技術(shù)，以及RF Flex和RF Fusion等集成設(shè)計(jì)方法，是助力手機(jī)設(shè)計(jì)人員更快速實(shí)現(xiàn)高效與成功的關(guān)鍵工具。這些先進(jìn)解決方案不僅減少了匹配損耗、優(yōu)化了鏈路預(yù)算，還解決了復(fù)雜問(wèn)題，確保即使在PC2所需的高功率水平下，系統(tǒng)也能保持穩(wěn)健性能?？傮w而言，Qorvo在RF模塊集成領(lǐng)域的創(chuàng)新，對(duì)于滿足4G和5G日益復(fù)雜設(shè)備的嚴(yán)苛要求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。