智能手機，現(xiàn)在已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠郑坪蹼x開了手機，生活已經(jīng)不能正常運行了。沒有了手機，現(xiàn)代人可能都不知道如何度過這一整天。據(jù)統(tǒng)計，人們一天使用手機的時間已經(jīng)接近4個小時，我們可以粗略算算，去除睡覺的8到10小時，一天24小時竟然有大約四分之一的時間在用手機！這或許也是智能手機迅速發(fā)展起來的一個非常重要的因素。
短短10年，手機已經(jīng)從主要用于通話和發(fā)短信的工具演變?yōu)楦叨葟碗s的精密設備，并 在生活中的各個方面占據(jù)了核心位置。它改變了通信方式，讓人們能通過上傳和下載現(xiàn)場視 頻來實時分享體驗。它為我們提供導航，幾乎淘汰了紙質(zhì)地圖。它已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設 備的
通用控制器，從家用恒溫器到酒店客房門鎖無所不包。它還能讓企業(yè)創(chuàng)建全新的云端業(yè)務模式。像優(yōu)步這樣的拼車軟件正是依靠無處不在的移動設備，讓用戶找到自動指向其目的地的行程并支付費用。
所有這些應用都需要高速、高度可靠的數(shù)據(jù)連接，這對每個人的日常生活來說至關重要。移動數(shù)據(jù)的需求持續(xù)快速增長：2016年11月發(fā)布的《愛立信移動研究報告》預測，全球智能手機用戶將從2015年的33億上升至2022年的68億，在此期間，每部智能手機使用的數(shù)據(jù)流量預計將上升近8倍，達到每月11GB。虛擬現(xiàn)實和實時視頻等趨勢需要利用高性能網(wǎng)絡來提供低延遲和更高數(shù)據(jù)速率。
為了應對移動數(shù)據(jù)的增長，連續(xù)幾代網(wǎng)絡——2G、3G、4G(LTE)以及未來的5G——已經(jīng)通過各種方法逐步增加網(wǎng)絡容量和數(shù)據(jù)速率。 方法之一就是分配更多的頻段。目前設計用于 全球應用的旗艦版LTE智能手機可支持30多個頻段，而在2010年，支持的頻段還不到10個。這一趨勢還在繼續(xù)，監(jiān)管機構將分配3.5GHz及更高頻率的頻段，并對現(xiàn)有頻譜進行重新分配，如之前用于電視廣播的600MHz頻段。頻道帶寬已經(jīng)從2G時代的200kHz增加到4G的20MHz，如果在LTE-Advanced設備中使用載波聚合(CA)，還能達到更高帶寬 (圖1)。此外還將結(jié)合在給定帶寬下提供更高數(shù)據(jù)速率和容量的技術，如MIMO、更復雜的調(diào)制和網(wǎng)絡密集化，包括小型蜂窩的使用。
圖1：通過載波聚合來提高下行鏈路數(shù)據(jù)速率
如今，主要趨勢包括網(wǎng)絡運營商正在部署的LTE-Advanced及后續(xù)LTE-Advanced Pro(在3GPP版本13及后續(xù)版本中定義)。這些LTE增強網(wǎng)絡可確保4G繼續(xù)占有一席之地，甚至在5G開始部署后仍發(fā)揮作用。LTE將與5G并行實施，為大量應用提供足夠的性能。LTE- Advanced推出了CA，可聚合最多5個RF載波的帶寬，稱為分量載波(CC)。LTE-Advanced支持最高1Gbps的最大網(wǎng)絡數(shù)據(jù)速率，LTE-Advanced Pro將把潛在的CC數(shù)量增加至32個，最高可支持3Gbps。隨著LTE-Advanced Pro推出許可輔助訪問(LAA)，Wi-Fi變得越來越重要，LAA使用CA合并LTE許可頻譜與5GHz Wi-Fi免許可頻譜，從而實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
智能手機的趨勢和挑戰(zhàn)
智能手機數(shù)據(jù)性能要求持續(xù)提高，同時RF前端復雜性增加，給從事智能手機設計的工程師帶來了一系列新挑戰(zhàn)。目前的要求對設計帶來的挑戰(zhàn)包括實現(xiàn)最大線性度和隔離、管理功 耗和天線調(diào)諧。由于必須將越來越多的頻段壓縮到分配給RF前端的有限空間內(nèi)，集成度要求更高。另一個重要趨勢就是智能手機市場分級的興起，每個分級都有不同的RF要求。本文將解釋每個分級，討論智能手機如何演變以應對5G時代。
隔離
在RF前端容納更多LTE頻段的需求對在不同頻段之間、每個頻分雙工(FDD) LTE頻段的發(fā) 送和接收頻率之間、LTE和其它無線服務(如 Wi-Fi和公共安全通信)之間實現(xiàn)必要的隔離帶來挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)所需的隔離，需要高性能濾波器。體聲波(BAW)濾波器提供比表面聲波(SAW)濾波器更高的性能(更高Q因子)，特別是在較高頻率下，通常用于最嚴苛的應用。
隔離挑戰(zhàn)隨CA而增加，因為RF前端必須與多個頻段實時通信。這給頻段間的交叉隔離提出新的要求，需要避免一個聚合頻段的發(fā)射信號與另一個聚合頻段的接收信號發(fā)生干擾，這會降低接收器的敏感度。各種問題層出不窮。聚合稀疏頻段時，RF鏈中的非線性元件 (包括功率放大器(PA)、開關甚至還有濾波器)會在發(fā)射頻率的倍數(shù)產(chǎn)生諧波頻率，可能造成問題。對于一些頻段組合，如頻段17和4(見表1)，較低頻段(17)的三次諧波進入較高頻段(4)的接 收頻率范圍，如圖2所示。為防止干擾，RF前端的濾波器必須提供非常強大的問題諧波抑制功能，且不會增加不可接受的插入損耗。所有元件都需要有高線性度PA、開關、濾波器，以盡可能減少諧波生成。
圖2：使用載波聚合時，頻段17上行鏈路 信號的三次諧波可能干擾頻段4中的接收信號
聚合密集頻段時，這些頻段通常共享RF前端內(nèi)的相同RF路徑，會出現(xiàn)不同的交叉隔離問題。示例包括頻段1和3以及頻段25和66。在這些情況下，問題在于一個頻段的發(fā)射頻率接近另一個聚合頻段的接收頻率。多工器可以將多個聚合頻段的所有發(fā)射和接收濾波器合并到一個設備中，提供有效的解決方案，允許同時使用聚合頻段，并提供頻段間隔離。由于智能手機可用空間和天線數(shù)量的限制，當網(wǎng)絡運營商聚合三個或多個頻段時(圖3)，多工器將變得越來越重要。
電源管理
幾種趨勢都需要更出色的電源管理，以盡可能延長智能手機電池壽命并避免溫度過高。通過上行鏈路CA等技術實現(xiàn)的更大傳輸帶寬需要更多功耗。此外，在單個帶寬內(nèi)合并分量載波的帶內(nèi)上行鏈路CA涉及比標準LTE信號更高的峰值-均值功率比，因而提高了PA線性度 要求。例如，CA可將上行鏈路帶寬加倍至20+20MHz(200個資源塊)，使調(diào)制信號包絡的峰值-均值功率比超過4.5dB的可能性至少翻倍。
另一個新興要求是2級功率，該新標準將輸出功率加倍至26dBm，可補償高頻段的更大傳輸損耗(如頻段41)。 更大輸出功率可以讓運營商在使用更高頻段時保持蜂窩覆蓋范圍，以增加頻譜并支持更高數(shù)據(jù)速率。在更高功率中，熱性能變得很關鍵；設備的可靠性取決于能否通過有效散發(fā)額外的熱量讓設備保持可接受的工作溫度。
包絡跟蹤(ET)通過持續(xù)調(diào)整PA電源電壓來跟蹤RF包絡并盡可能提高PA效率，可減少功耗和散熱，其正在從旗艦手機擴展至主流應用。ET提供的更高效率有助于推廣寬帶PA，盡可能減少手機所需的PA。然而，ET的使用局限于20至40MHz頻道，并且需要處理更寬的應用 帶寬，如帶內(nèi)上行鏈路CA。
天線
由于需要支持更快數(shù)據(jù)服務和更廣泛的RF頻率和技術，智能手機中的天線數(shù)量也隨之增加。如今的手機可能包含6根或7根天線，包括主蜂窩和分集接收 (DRx)、Wi-Fi、近場通信(NFC)及其它標準。在一般手機的有限物理空間內(nèi)安裝更多天線成為越來越難的工程挑 戰(zhàn)。而MIMO需要在多根天線上同步傳輸，使情況更嚴峻。通過在使用相似頻率(如藍牙和Wi-Fi)的多個服務中分享相同天線，可以最大程度減少需要增加的天線數(shù)量。天線共享還可用于支持更快的Wi-Fi性能，通過在LTE和第二條Wi-Fi RF鏈之間分享LTE DRx天線，可啟用2×2 MIMO Wi-Fi。
天線調(diào)諧可通過調(diào)整天線阻抗來優(yōu)化特定頻率下的效率，此方法越來越常用，以支持不斷擴大的LTE頻率范圍。
圖3：隨著網(wǎng)絡運營商通過聚合頻段來提高數(shù)據(jù)速率，多工器變得越來越重要
RF集成
盡管智能手機變得越來越大，這主要源于用戶對更大屏幕的偏好，但分配至RF前端的空間卻并未增加。目前的旗艦手機中，通常只有10%至15%的內(nèi)部區(qū)域?qū)儆诜涓C、Wi-Fi和藍牙RF功能。智能手機變得越來越薄，減少了內(nèi)部體積，而制造商需要利用有限的空間添加新功能并實現(xiàn)最大電池尺寸，以響應用戶對更長工作時間的需求。結(jié)果是，RF前端必須包容越來越復雜的功能，包括支持越來越多的頻段，而可用空間卻幾乎不變。要應對日益復雜的RF，更高的RF前端集成水平是關鍵，在支持大量頻段和CA組合的旗艦手機中尤其如此。 除了節(jié)省空間，集成式RF前端模塊還可簡化智能手機的設計，因為許多RF挑戰(zhàn)可在模塊內(nèi)解決，而不需要智能手機制造商來設計解決方案。這樣智能手機制造商就能關注智能手機設計的其它方面，在競爭日趨激烈的市場中吸引消費者。通過簡化設計，高度集成的模塊還能幫助智能手機制造商縮短上市時間。此外，由于可能發(fā)生故障的元件減少， 智能手機的制造良品率得到了提升。
圖4：為了處理所有主要蜂窩頻率，智能手機在覆蓋低頻段(a)、中頻段(b)和高頻段(c)的三個前端模塊中集成了PA、開關和濾波器
高度集成RF前端架構的一個示例是Qorvo的RF Fusion，利用三個緊湊位置支持所有主要LTE頻段：低頻段、中頻段和高頻段(圖4)。每個模塊都包含PA、開關和濾波器，并使用高級封裝，相比分立式元件所需的印刷電路板 (PCB)面積，可節(jié)約30%至35%的空間。除了節(jié)省寶貴的PCB空間，這種方案還有幾個優(yōu)勢：可通過在每條通道上集成元件來提高性能，無需板載匹配， 損耗降低0.5dB之多，功耗和熱負載減少 (圖5)。通過減少損耗有助于滿足手機制造商的性能目標。該集成架構還可幫助管理RF隔離，如CA聚合頻段間的相互作用。例如，支持具體頻段合并的多工器可以合并到每個模塊中。未來，可能將整個RF前端集成到單個模塊中，這需要權衡制造商獲得的優(yōu)勢與包含多余頻段帶來的額外成本，而這些頻段手機所有者可能不會使用。
圖5：相對于板載匹配(b)，集成式前端模塊(a)最多可減少 0.5dB的損耗
智能手機分級
隨著智能手機在世界范圍內(nèi)持續(xù)激增，市場已經(jīng)劃分為不同等級：提供最高性能和支持全球頻段的旗艦手機和提供良好性能并且主要設計用于國內(nèi)使用、僅支持區(qū)域頻段的中級手機。在消費者對價格比較敏感的亞洲和拉丁美洲等新興市場，中級手機比較普遍。據(jù)Strategy Analytics統(tǒng)計，智能手機分級已被廣泛接受。該公司預測，到2022年，中級手機將占手機營收總額的37%，2016年這一數(shù)據(jù)只有32%。然而，由于售價更高，高級手機將繼續(xù)占據(jù)全球智能手機營收的主要份額。
這種市場分級可以從RF前端趨勢中反映出來。高度集成的RF前端模塊通常只出現(xiàn)在高級手機中；中級手機通常使用更分立的方案，如Qorvo的RF Flex，手機制造商能夠通過僅集成當?shù)仡l段所需的濾波器來靈活地降低元件成本。隨著RF環(huán)境變得越來越復雜，中級手機中也有望用到更高水平的RF前端集成。市場分級還帶來了許多其它趨勢，如支持雙SIM卡的中級手機。這讓用戶能夠在前往其它國家和地區(qū)時使用不同的語音和數(shù)據(jù)服務，或者使用當?shù)剡\營商的服務，盡可能減少每月花費。雙SIM卡需要雙收發(fā)器或使用時分復用技術的單個收發(fā)器。
未來的RF前端
今后幾年，智能手機RF前端將繼續(xù)演變并復雜化，以滿足不斷變化的需求。除了支持5G，智能手機還會充當快速激增的物聯(lián)網(wǎng)設備和傳感器的通信中心的角色，這需要在RF前端集成新的無線接口。
5G規(guī)范的開發(fā)目前主要關注三個高級用例，包括物聯(lián)網(wǎng)：
增強型移動寬帶，支持消費者使用視頻和其它數(shù)據(jù)密集型 移動應用，這些應用需要低延遲和更快的數(shù)據(jù)速率;
物聯(lián)網(wǎng)應用的大規(guī)模機器類型通信;
超可靠、低延遲通信，適合重視可靠性和性能的應用，如自動駕駛車輛。
5G規(guī)范預計包含兩個主要階段：階段1(3GPP版本15)，預計到2018年底，將支持一小部分用例，包括增強型移動寬帶，主要集中于6GHz以下的頻率。目前，3.8和4.99GHz之間的頻段尚在研究。由于4G LTE繼續(xù)得到廣泛應用，一個重要目標是，通過設計5G新型無線電(NR)，盡可能減小對4G頻段的干擾，盡可能提高共存性。大體上，5G階段1所需的RF前端技術可能類似于用于4G LTE的技術，經(jīng)過改進可支持新的要求。
階段1的主要挑戰(zhàn)包括PA性能和增加的線性度，以支持用于提高數(shù)據(jù)密集型應用性能的新上行鏈路要求。其中包含更復雜的調(diào)制(如256-QAM)和可選的循環(huán)前綴正交頻分多工 (CP-OFDM)。采用4×4 MIMO進一步提升數(shù)據(jù)吞吐量需要更高的集成度和更復雜的開關，而且將增加天線數(shù)量。體聲波濾波器技術廣泛應用于較高頻率LTE頻段，目前正在開發(fā)增強版以滿足5G時代6GHz以下頻率的濾波要求。
5G階段2(3GPP版本16)預計到2019年底將包括剩余用例，集中于更高頻率(28GHz和更高頻率)。盡管這些規(guī)范目前只發(fā)展到階段1的早期，但很明顯，毫米波頻率的通信將需要全新的天線陣列架構、波束賦形技術和精密算法，以彌補這些頻率下的較大路徑損耗。毫米波頻率和4G LTE的共存將帶來其它挑戰(zhàn)。
業(yè)界正在摸索可調(diào)諧模擬濾波器，以減少RF前端的濾波器數(shù)量。但是，創(chuàng)建寬帶可調(diào)諧模擬濾波器，滿足現(xiàn)代智能手機的功率處理、插入損耗、隔離和共存需求，是極具挑戰(zhàn)性的。CA的采用需要多個頻段上的同時操作，其復雜性將使寬帶可調(diào)諧濾波器更難以實現(xiàn)。
CMOS、SOI和SiGe等硅技術將繼續(xù)擴展至用于控制、開關和放大的RF前端。盡管如此，GaAs仍可為PA帶來性能優(yōu)勢，并且有可能保留主流PA處理技術。數(shù)字信號處理越來越普 及，可通過數(shù)字預失真(DPD)和ET等功能提升前端性能。
總結(jié)
越來越復雜的RF前端和不斷提升的性能需要在高度集成的模塊中混合許多不同的技術。隨著智能手機步入下一個十年，供應商必須擁有廣泛的設計能力，包括高級濾波和毫米波技術，才能獲得成功。
關于作者
Todd Gillenwater
Qorvo公司移動產(chǎn)品CTO兼工程部副總裁
