新一代手机的RF架构如何选择

2017-08-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

现在的智能手机基本被划分为三个类别,即:低端智能机、中断智能机以及高端智能机三大类。不同类别的智能手机当然对RF架构有着不一样的需求,不同的RF架构意味着不同的射频前端的集成方法。高集成度射频前端方案例如 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。

手机射频电路

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。

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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,我们之前有提到,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。那么,问题来了: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。

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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。

这种将功能划分到高、中、低频段模块中的 RFFE 集成方法具有几个关键的优势。

如图 2 所示,每条通道上实现元件集成,无需对元件进行板载匹配,从而提升了性能。这将发射和接收的匹配损耗降低多达 0.5 dB,进而降低电流消耗和热负荷。这种布局还在功率放大器的带宽范围内集成相应频段的滤波器,确保了每个功率放大器能得到最高效的利用。每个模块的改进性能使制造商更容易实现手机的整体性能目标。

RF Fusion 架构也为载波聚合提供了明显的优势。这一点对旗舰手机来说尤为重要,因为制造商正在快速添加载波聚合支持。一些组合了宽间隔频段(例如低频段和高频段)的聚合存在谐波干扰的风险。低频段谐波进入高频段的接收频率,可能会使接收器灵敏度下降。将这些频段拆分到不同的模块,可增加它们之间的物理隔离,从而减少谐波干扰的可能性。该架构还有助于支持窄间隔频段的聚合和带内载波聚合,因为支持特定聚合的多路复用器可以集成到每个模块中(例如,RF Fusion QM78013 中频段模块搭载一个支持 B1+B3 载波聚合的四工器)。

RF Fusion 的高度集成有助于制造商简化和加速手机设计和开发。制造商可从单一来源集成三个模块,而无需挑选、匹配、集成 30 个或更多的分立元件。这就提高了制造产量并降低了元件失效的风险。简化的设计和改进的性能降低了错失产品预定发布日期和不符合运营商标准的风险。

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区域性中端手机的RFFE设计灵活性

与全球性高端手机相比,区域性中端手机有着明显不同的 RFFE 要求。由于手机价格在这个竞争激烈的细分市场中尤为关键,制造商通常设法只添加每个目标区域或运营商需要的 RF 元件。设计灵活性至关重要,因为制造商必须能够快速调整手机以适应不同的区域;他们通常只有几个月的时间来开发手机和符合运营商标准,甚至在该期间内,具体需求还可能会出现改变。

为了以最低的成本快速开发手机型号,制造商需要尽可能减少对 RFFE 架构工程设计的投入精力,以便能够通过添加每个区域或运营商所需的特定频段来快速调整手机设计。通常,制造商希望仅使用一个印刷电路板 (PCB) 布局,通过添加不同的 RF 元件即可生产多个 SKU。

为满足这些中端手机的需求,需要采用一种不同于旗舰手机的 RFFE 集成方法。Qorvo 的 RF Flex 就是这种方法的一个例子,它提供了广泛的模块组合,旨在为中端智能手机制造商提供灵活性,以快速地生产出不同的机型。

每个 RF Flex 模块都集成了核心 RF 元件,通用于手机的多个区域性变体。如今,这些元件通常是功率放大器 (PA) 和开关。制造商只需添加特定运营商网络和区域所需的滤波器,即可快速地生产区域性手机变体。

RF Flex 为制造商提供设计灵活性,使他们能够通过仅采用所需 RF 组件来最大程度降低手机成本。同时,这种方法也在有意义的地方应用集成,实现了诸多好处,例如节省空间和简化设计等。

RF Flex 架构还具有可扩展性,对于寻求全球扩展功能的制造商尤为宝贵;他们可以设计一款用于国内的机型,并可迅速添加更多滤波器,从而支持其他国家/地区所使用的频段。

场景 1 制造商设计了一款采用 RF5422 多频段 PA 模块和 RF5228 高级发送模块的中端手机。RF5422 提供所有必要的 3G 和 4G PA 功能;RF5228 为所有频段提供 2G 支持和天线开关功能。针对中国市场,制造商添加了滤波器以支持 1、3、8、34、39、40 和 41 频段。通过简单添加频段 7 和 20 的滤波器,即可针对欧洲的使用来对相同设计进行扩展。制造商可以在两个区域使用相同的 PCB 设计,并根据需要在 PCB 中添加滤波器。

场景 2 RF5422 最多支持 5 个低频频段,足以满足许多中端手机的需要。当制造商需要支持其他低频频段时,就可以转而使用 RF5427,这是一款低频和极低频段的模块,最多支持 7 个频段。RF5427 结合 RF5426 中频和高频模块使用,可提供全频段覆盖范围。结合使用时,这两个模块还可提供额外的隔离功能,协助高频段和低频段的载波聚合组合功能。

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结论

为满足旗舰手机和中端手机的不同要求,需要使用不同的 RFFE 集成方法。高度集成模块最大限度地为面向全球市场的旗舰手机提升了性能、节省了空间。核心 RF 功能的针对性集成实现了中端手机的设计灵活性,使制造商能够快速调整手机以适应不同运营商和区域的需求。

中端手机和旗舰手机的 RF 内容将随着更多频段和载波聚合组合的部署而逐渐增加。中端手机和旗舰手机的 RF 模块都将相应地变得越来越集成化,同时保留每个类别所要求的显著特征。

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