深度解析高通RF360移動射頻前端解決方案

　　智能手機(jī)內(nèi)部的印刷電路板（PCB）區(qū)域已成為移動終端第二大最珍貴且競爭最激烈的領(lǐng)域，僅次于無線電頻譜。具有諷刺意味的是，本來為緩解帶寬稀缺問題而出現(xiàn)的新增無線電頻段的擴(kuò)展，卻恰恰加劇了智能手機(jī)內(nèi)PCB空間的壓力。更多的頻段需要更多獨立的射頻（RF）前端元件，如功率放大器、多頻帶開關(guān)、雙工器、濾波器以及匹配元件等。加上對更大屏幕、四核應(yīng)用處理器、無線連接、電池和附加元件的需求，全部這些都要被封裝在超薄外殼內(nèi)，顯而易見，再沒有多余的空間來擴(kuò)大射頻前端，何況要滿足單一SKU覆蓋全球LTE漫游所需的兩倍或三倍頻段擴(kuò)展（見圖1）。

　　圖1 典型智能手機(jī)中有限的PCB空間

　　美國高通技術(shù)公司（QTI）推出的Qualcomm?RF360射頻前端解決方案，旨在解決這一問題以及其它相關(guān)問題。該解決方案有一個高度集成的射頻前端，基本整合了調(diào)制解調(diào)器和天線之間的所有基本組件，包括：集成天線開關(guān)的射頻功率放大器、無線電收發(fā)器、天線匹配調(diào)諧器和包絡(luò)功率追蹤器。這是一個 “360度全方位”方案，能夠簡化和解決蜂窩射頻前端面臨的眾多復(fù)雜挑戰(zhàn)。首先，該方法能夠通過改進(jìn)性能和尺寸來實現(xiàn)產(chǎn)品頻帶擴(kuò)展和延伸，從而使產(chǎn)品具備最強(qiáng)的吸引力，并縮減單一SKU設(shè)計尺寸來實現(xiàn)顯著生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)勢的最大化。該前端解決方案于今年2月發(fā)布，OEM廠商采用該方案的產(chǎn)品預(yù)計將在2013年晚些時候推出。該前端從設(shè)計之初就是一個完整的系統(tǒng)級解決方案，可以與終端的調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器以及傳感器交互工作，實現(xiàn)全新的獨特性能提升。

　　設(shè)計方法

　　在廣泛的技術(shù)層面，在2G和3G網(wǎng)絡(luò)在全球的的覆蓋范圍不斷擴(kuò)大的基礎(chǔ)上，前端設(shè)計主要用于解決伴隨4G LTE（FDD和TDD）擴(kuò)展帶來的射頻頻段不統(tǒng)一問題，以及在不增加空間需求或影響性能的前提下滿足在單一終端或盡量少的SKU上支持所有相關(guān)頻段的需求。

　　在經(jīng)濟(jì)層面，該前端設(shè)計旨在幫助蜂窩終端制造商擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并顯著降低成本。相比之前OEM廠商需要多達(dá)10個不同的設(shè)計才能滿足全球所需LTE頻段組合的需求，現(xiàn)在3個或甚至更少的設(shè)計就可以實現(xiàn)，而且無需改變電路板布局或增加電路板空間就可以處理這些設(shè)計的差異。

　　射頻頻段擴(kuò)展，而不增加PCB空間

　　當(dāng)今射頻面臨的核心挑戰(zhàn)是解決服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)容量爆炸式增長所需的更多蜂窩頻段——目前全球頻段總數(shù)已達(dá)到40個。另外，OEM廠商需要同時推出多部手持終端以實現(xiàn)其產(chǎn)品投資的最大化回報，這進(jìn)一步加劇了挑戰(zhàn)的復(fù)雜性。移動終端制造商不得不為每款終端推出多個版本，每個版本產(chǎn)量有限，使用的傳統(tǒng)射頻解決方案只能處理個別頻段，或者在單一終端中集成多個芯片組，以實現(xiàn)更大的覆蓋范圍。

　　美國高通公司的解決方案通過單一電路板級SKU 解決了射頻頻帶擴(kuò)展的挑戰(zhàn)。該SKU模塊支持各種模式和頻段（從GSM之后的所有主要蜂窩制式和目前3GPP協(xié)議中包括的全部頻段）的組合，支持全球漫游，特別是4G LTE。在沒有單一射頻解決方案可以處理全球所有頻段的情況下，不采用強(qiáng)制方法組合大量離散零件怎么可能實現(xiàn)呢？這需要整合關(guān)鍵技術(shù)，將所有的關(guān)鍵技術(shù)都集成到美國高通公司的解決方案內(nèi)，將其優(yōu)化成為一個端對端系統(tǒng)。

　　包絡(luò)功率追蹤器

　　第一個關(guān)鍵技術(shù)是包絡(luò)功率追蹤器（ET），它根據(jù)信號的瞬態(tài)需求來調(diào)整功率放大器（PA）電源，。該技術(shù)是傳統(tǒng)平均功率追蹤器（APT）的升級，APT根據(jù)功率水平分組而不是瞬時信號需求來調(diào)整功率放大器的供電量。使用APT技術(shù)時，未使用的電量不僅浪費電池電力，而且還會產(chǎn)生余熱，這增加了對散熱空間的需求（見圖2a）。而借助包絡(luò)追蹤器，電量的提供取決于被傳輸信號內(nèi)容的瞬時需要（見圖2b）。

　　圖2 采用平均功率追蹤器（a）的功率損失與采用功率包絡(luò)追蹤器（b）的功率節(jié)省量對比

　　包絡(luò)功率追蹤器與終端調(diào)制解調(diào)器交互工作，調(diào)整傳輸功率以滿足被傳輸內(nèi)容的瞬時需求，而不是在恒定功率下的長時間間隔后調(diào)整。這是業(yè)內(nèi)首個用于3G/4G LTE移動終端的調(diào)制解調(diào)器輔助包絡(luò)追蹤器，它將功耗降低最高達(dá)20％，發(fā)熱降低近30％（基于QTI的測試和分析）。這延長了電池續(xù)航時間，降低了智能手機(jī)超薄機(jī)身內(nèi)部的發(fā)熱。

　　包絡(luò)追蹤器與調(diào)制解調(diào)器一起運行，檢測瞬時功率需求，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，進(jìn)而衍生出完全集成的射頻前端系統(tǒng)級芯片這一想法。系統(tǒng)級芯片是指先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，現(xiàn)在已可用于射頻前端。

　　RF POP

　　美國高通公司前端解決方案的第二個關(guān)鍵技術(shù)是業(yè)內(nèi)首次使用的3D 射頻封裝或RF POPTM解決方案，采用先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，單一封裝內(nèi)集成了單芯片多模功率放大器和天線開關(guān)（AS），并將濾波器和雙工器集成到一個單一基底中，然后將基底置于基礎(chǔ)組件之上，整合成一個單一的“3D”芯片組組合，從而降低了整體的復(fù)雜性，摒棄了當(dāng)今射頻前端模塊中常見的引線接合。集成功率放大器和天線開關(guān)的封裝作為基底層，管腳對所有頻段配置都一致，包含濾波器和雙工器的封裝針對全球和/或多地區(qū)頻段組合進(jìn)行配置，置于PA/AS基底之上，就像在一個通用基底上定制的“頂”。這一組合厚一毫米，在電路板上所占的面積只有美國高通公司前代射頻前端解決方案的一半。重要的是，針對不同地區(qū)的定制終端無需更改電路板布局，因為基礎(chǔ)PA/ AS層可以保持不變（見圖3）。

　　圖3 射頻POP 3D設(shè)計CMOS前端

　　這種設(shè)計基于可支持700MHz到2.7GHz的全球LTE頻段以及傳統(tǒng)2G/3G頻段的架構(gòu)，降低了“頂”部簡化版本所需的本地RF頻段定制。借助RF POP方案，兩三個PCB設(shè)計現(xiàn)在就可以實現(xiàn)此前的數(shù)十個或更多設(shè)計才能達(dá)到的全球支持，因為多頻段配置可以使用相同的電路板布局。這為推動LTE生產(chǎn)規(guī)模效益創(chuàng)造了可能性，效果正如四頻之于GSM以及五頻之于3G 。

　　相比之下，基于PCB模塊的傳統(tǒng)解決方案混合搭配不同技術(shù)，如基于 GaAs和基于CMOS的組件，成為單一終端運行環(huán)境下的最佳解決方案。要適應(yīng)更廣泛的環(huán)境則更為復(fù)雜，在某些情況下還會導(dǎo)致單一終端內(nèi)存在多個并行解決方案。取決于設(shè)計的頻段組合，這些并行解決方案需要多個功率放大器、更多的獨立芯片以及相關(guān)的引線結(jié)合，這會帶來輻射干擾，增加了阻抗匹配需求，因而阻礙了技術(shù)集成。如果需要更多頻段，必須改變電路板（其中包括尺寸增加的可能性），并減少每一個獨特設(shè)計的數(shù)量（見圖4）。

　　圖4 并行的傳統(tǒng)射頻前端獨立設(shè)計