未來(lái)手機(jī)RF前端設(shè)計(jì)解析

在過(guò)去十年中，手機(jī)經(jīng)歷了巨大的變革。面世伊始僅供人們通話(huà)和收發(fā)短信的手機(jī)，現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙δ苁殖衷O(shè)備，融電話(huà)、Web瀏覽器、短信工具、照相機(jī)、游戲機(jī)、MP3播放器和很多實(shí)用功能于一體，能夠滿(mǎn)足人們的移動(dòng)信息需求。

此外，當(dāng)前的手機(jī)用戶(hù)不僅需要這些功能，而且還要求能夠隨時(shí)隨地使用這些功能。這種移動(dòng)技術(shù)需要兼容多個(gè)頻段和多種調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)。由于功能復(fù)雜，且消費(fèi)者喜愛(ài)小巧機(jī)型，設(shè)計(jì)人員因此面臨強(qiáng)大壓力，必須以更低的物料清單(BOM)成本和創(chuàng)記錄的交付時(shí)間來(lái)提供產(chǎn)品，才能滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)品不斷推陳出新的期望。

如此嚴(yán)格的要求促使設(shè)計(jì)人員改變了對(duì)RF前端的評(píng)估測(cè)試方式。本文將討論上述需求對(duì)于設(shè)計(jì)的影響，以及如何利用新方法來(lái)增強(qiáng)多功能手機(jī)的用戶(hù)體驗(yàn)。

已涉足此行業(yè)數(shù)年的設(shè)計(jì)工程師可能還記得，幾年前，語(yǔ)音是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素，最常使用的調(diào)制格式是GSM/GPRS，手機(jī)的外形較大，RF前端部分所占用的印刷電路板(PCB)面積也較多，性能是關(guān)注的焦點(diǎn)。

天線(xiàn)位于手機(jī)外部

天線(xiàn)位于手機(jī)外部(如圖1所示)，采用短截線(xiàn)天線(xiàn)或能夠拉出收回的滑動(dòng)型天線(xiàn)，其效率遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前手機(jī)中的天線(xiàn)。這類(lèi)手機(jī)僅支持純語(yǔ)音呼叫，用戶(hù)要將手機(jī)拿至貼近頭部的位置。因此，天線(xiàn)的設(shè)計(jì)是在相對(duì)了解的環(huán)境中進(jìn)行的，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

直至今天，這依然很重要，因?yàn)楣β史糯笃?PA)對(duì)于通話(huà)時(shí)間影響很大，而這直接關(guān)系到使用某種型號(hào)或某個(gè)品牌手機(jī)時(shí)的用戶(hù)體驗(yàn)。如果設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化手機(jī)在實(shí)際使用環(huán)境中的電流消耗，那么該產(chǎn)品在消費(fèi)者市場(chǎng)中會(huì)占據(jù)更有力的競(jìng)爭(zhēng)地位。天線(xiàn)及其實(shí)際性能間的一致性使得手機(jī)設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)天線(xiàn)與PA的阻抗匹配靈活地優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便盡可能高效地提供最高功率。

手機(jī)設(shè)計(jì)今非昔比

時(shí)光荏苒，手機(jī)市場(chǎng)發(fā)生了巨變?，F(xiàn)在的關(guān)注焦點(diǎn)是應(yīng)用處理器和組件，專(zhuān)注于軟件應(yīng)用勝過(guò)提升用戶(hù)體驗(yàn)。目前，手機(jī)外形更為小巧，但在很多情況下，為了實(shí)現(xiàn)這些獨(dú)特外形，不得不在一定程度上犧牲性能?，F(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線(xiàn)或平面倒F天線(xiàn)(PIFA)(參見(jiàn)圖2)，多數(shù)情況下它們的效率低于過(guò)去的天線(xiàn)。

現(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線(xiàn)或平面倒F天線(xiàn)

不過(guò)，為了解決設(shè)計(jì)人員面臨的難題，一些手機(jī)轉(zhuǎn)而采用過(guò)去的短截線(xiàn)天線(xiàn)。這種性能與外形尺寸間的取舍，會(huì)直接影響電池壽命、通話(huà)時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)可用性方面的用戶(hù)體驗(yàn)，因?yàn)樘炀€(xiàn)選擇及其使用環(huán)境會(huì)影響PA的工作。

例如，電壓駐波比(VSWR)就體現(xiàn)了這是如何影響PA的。當(dāng)前的手機(jī)工作在三種基本配置下。一種是用戶(hù)按傳統(tǒng)方式將手機(jī)貼在頭部附近通話(huà)，或者置于頭部前方，使用揚(yáng)聲器通話(huà)，還有一種情況是手機(jī)并沒(méi)有握在手里，而是與用戶(hù)有一定的距離。

天線(xiàn)的VSWR性能差別很大，這只是其中的三種主要場(chǎng)景，實(shí)際上，由于手指和手掌的位置不同，存在很多種使用狀況，但為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文僅討論以上三種情況。有關(guān)天線(xiàn)VSWR性能的差別請(qǐng)參見(jiàn)圖3。

天線(xiàn)的VSWR性能

圖3：手機(jī)中PIFA天線(xiàn)的VSWR性能

這些頻率響應(yīng)說(shuō)明了在當(dāng)前新一代手機(jī)中，PA面臨的不同VSWR要求。對(duì)于這類(lèi)手機(jī)，在頻段邊緣，PA對(duì)應(yīng)的VSWR范圍為5:1到2:1。VSWR性能還會(huì)影響接收靈敏度。許多手機(jī)設(shè)計(jì)人員涌來(lái)評(píng)估RF前端的通常做法是，在50歐姆實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量性能。

實(shí)際上，這種方法對(duì)于今天的設(shè)計(jì)已不再適用，因?yàn)镻A所面對(duì)的阻抗是不可預(yù)測(cè)的。設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化解決方案，以為終端用戶(hù)提供最佳通話(huà)時(shí)間，就必須著手在不同的VSWR條件下檢測(cè)RF前端。

諸如3GPP等標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了空中測(cè)試(OTA)要求。一般來(lái)說(shuō)，這些要求要比運(yùn)營(yíng)商的要寬松得多，因?yàn)楹笳咝枰鼑?yán)格的OTA性能。運(yùn)營(yíng)商為其手機(jī)設(shè)置的典型值為傳導(dǎo)RF輸出功率-11dB。

根據(jù)GSM850標(biāo)準(zhǔn)，這相當(dāng)于22dBmOTA要求，因?yàn)閭鲗?dǎo)輸出功率要求設(shè)置為33dBm，而天線(xiàn)效率和傳播效果隨頻率不同，會(huì)有-11dB的損耗。如果RF前端都按照這些要求進(jìn)行評(píng)估和對(duì)比，這些OTA要求就能直接應(yīng)用于50歐姆系統(tǒng)。

GSM功率控制架構(gòu)對(duì)通話(huà)時(shí)間的影響

當(dāng)前行業(yè)中GSM手機(jī)采用最廣泛的三種架構(gòu)分別是電流控制、電壓控制和功率檢測(cè)。圖4、圖5和圖6分別給出了這三種架構(gòu)的簡(jiǎn)化框圖。

電流控制

圖4：電流控制模塊圖

圖4中的電流控制架構(gòu)是一種間接控制的方案，它監(jiān)控電流并使其保持恒定。這種方法將電流與功率相關(guān)聯(lián)，只要電流與功率之間的關(guān)系保持恒定(僅當(dāng)負(fù)載電阻不變時(shí))，就能非常出色地控制功率。控制功率的方法是：通過(guò)調(diào)整放大器的基級(jí)偏壓來(lái)控制增益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功率控制。

電流控制

圖5：電壓控制模塊圖

圖5為電壓控制示意圖，它與電流控制類(lèi)似，也是一種間接控制方法，只是將電壓而非電流與功率相關(guān)聯(lián)。這種方法非常類(lèi)似電流控制，只要負(fù)載電阻恒定且電壓和功率間的關(guān)系保持不變，就能工作良好。與電流控制相似，在電壓控制中，通過(guò)調(diào)節(jié)集電極電壓而非基級(jí)偏壓來(lái)控制功率。

功率檢測(cè)