未來手機(jī)RF前端設(shè)計(jì)解析

圖6：功率檢測模塊圖

本文中介紹的最后一個(gè)架構(gòu)是功率檢測(如圖6所示)。這種方法將一部分信號耦合回檢波器，檢波器通過比較輸出電壓和參考電壓來檢測功率。這種功率控制方法的準(zhǔn)確性也很高，失配主要取決于耦合器的方向和反饋回路中的誤差。該架構(gòu)的缺點(diǎn)是，增加了耦合器的輸出損耗和組件成本，因?yàn)樗枰嚯娐穪韺?shí)現(xiàn)功率控制功能。

在非常簡短地回顧了基本功率控制架構(gòu)后，下面重點(diǎn)介紹器件的評估測試，采用的是能夠反映實(shí)際性能，并直接影響通話時(shí)間、電池壽命和呼叫接收效果等用戶滿意度指標(biāo)的方式。首先，為了解實(shí)際環(huán)境，必須描述天線性能(如圖3所示)。

正像前面所述，VSWR的變化范圍在2:1到5:1之間，具體取決于終端用戶和手機(jī)的位置。綜合這些考量因素，用于對比的基準(zhǔn)定為3:1VSWR。選擇該值的原因是因?yàn)樗芎芎玫伢w現(xiàn)實(shí)際環(huán)境中的性能，而不會有不切實(shí)際的功率反射回PA，從而導(dǎo)致比較結(jié)果有誤差。為正確描述這些產(chǎn)品，必須進(jìn)行負(fù)載牽引測試，用這種方法設(shè)計(jì)人員可以精確控制失配、相角和輸出功率精確度。該方法如圖7所示。

負(fù)牽引的設(shè)置

圖7：負(fù)載牽引的設(shè)置

通過圖8和圖9可以看出，即使采用不同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功率控制功能，在實(shí)際環(huán)境中的性能還是有可能出現(xiàn)很大差異。這意味著什么?為什么很重要?首先，如前所述，OTA性能是真正的關(guān)鍵，它與輸出功率直接相關(guān)。

如圖9所示，在這三種維持到負(fù)載的恒定輸出功率的方法中，電流控制是表現(xiàn)最差的一種。在GSM850頻段，電流控制和功率檢測方法有大概1.5dB的差異。功率檢測機(jī)制的缺陷在于允許電流增加，而其它解決方案中的電流維持在合理值。盡管這種情況下看起來通話時(shí)間會較長，但實(shí)際環(huán)境中并非如此。

例如，如果手機(jī)工作在29dBm(這是GSM系統(tǒng)中最常見的功率值)，基站實(shí)際上會要求手機(jī)將功率值從29dBm提高到31dBm，因?yàn)檩敵龉β薀o法滿足當(dāng)前功率控制電平(PCL)。這反過來會增加電流消耗，最終縮短通話時(shí)間。另一個(gè)需考慮的則是電流消耗所取得的優(yōu)勢。

在手機(jī)中，如果電流控制機(jī)制在這些情況下提供了足夠輸出功率，能夠滿足運(yùn)營商的OTA要求，則無須擔(dān)心進(jìn)入VSWR的功率。由于出色地降低了輸出功率，因此提供一種VSWR性能較好的解決方案就能夠大幅節(jié)省電流消耗。在查看圖10時(shí)，請考慮以下問題：如果所有解決方案交付的功率均相同，那么它們會對終端用戶有何影響?

對于電壓控制和功率檢測方法而言，可將50歐姆校準(zhǔn)設(shè)置為降低1dB，但仍滿足相同的輸出功率要求。ETSI傳導(dǎo)規(guī)范指定，對于PCL5，正常情況下的功率為33dBm±2dB。這意味著為達(dá)到傳導(dǎo)性能，針對PCL5，手機(jī)必須至少輸出31dBm。考慮到留出余量的需求，最安全的校準(zhǔn)值應(yīng)為31.5dBm。如果需要更大的余量，則設(shè)計(jì)人員可將手機(jī)調(diào)相至50歐姆環(huán)境中為32dBm，從而大幅節(jié)約電流。圖11中詳細(xì)介紹了與50歐姆環(huán)境下性能的關(guān)聯(lián)問題。

與50歐姆環(huán)境下性能的關(guān)聯(lián)問題

在圖11中，對這三個(gè)解決方案的電流與輸出功率進(jìn)行了的對比。這證明了如果設(shè)計(jì)人員要實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率以滿足OTA需求，那么電流控制方案中的輸出功率就需要調(diào)整為33dBm，功率檢測方案的輸出功率與之相比要小1dB。最終的結(jié)果是在滿功率工作時(shí)，50歐姆環(huán)境下可節(jié)省180mA電流，從而延長電池壽命和通話時(shí)間。

在節(jié)省電流的同時(shí)，并未犧牲任何實(shí)際輸出功率OTA性能。降低調(diào)相目標(biāo)的另一優(yōu)勢是，降低了吸收率(SAR)，且減少了諧波的生成，因?yàn)樵跐M功率1dB回退點(diǎn)，諧波能量要低很多。這減輕了輻射問題，并能加快產(chǎn)品面市速度。

如果設(shè)計(jì)人員對該方法不感興趣，而希望提高輸出功率，那么可通過使用VSWR容差性能更優(yōu)的器件來實(shí)現(xiàn)。但提高輸出功率后，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都面臨著多時(shí)隙GPRS情形下輻射能量無法達(dá)到SAR要求的可能性。而設(shè)計(jì)更優(yōu)的、VSWR容差性能良好的器件通過限制低阻抗?fàn)顟B(tài)下的輸出功率，使手機(jī)工作在較高功率水平時(shí)仍能滿足SAR要求(參見圖12)。

優(yōu)化OTA性能

圖12說明，如果手機(jī)設(shè)計(jì)人員希望優(yōu)化OTA性能，那么電壓控制和功率檢測解決方案與電流控制解決方案相比，其調(diào)相目標(biāo)要高出0.5到0.75dB。從統(tǒng)計(jì)角度看，較高的調(diào)相目標(biāo)會降低SAR性能。但由圖12我們可以看到，這三種解決方案的峰值功率擺幅是相同的，而50歐姆環(huán)境下設(shè)定的功率要高于電流控制方案的功率。這使得設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出在運(yùn)營商要求的OTA性能方面比競爭對手更為優(yōu)秀的產(chǎn)品。

最后需要考慮的是發(fā)射(TX)和接收(RX)性能間的平衡，以及是否能根據(jù)不同地區(qū)定制性能。從圖3，即手機(jī)天線VSWR性能示意圖中可以看出，如果需要的話，可以通過調(diào)諧來為提高RX性能而降低TX性能。圖中的紫色軌跡表示手機(jī)放在頭部附近的傳統(tǒng)通話方式，在提高頻率時(shí)，GSM850TX和RX性能會略有降低，而GSM900RXVSWR則會有所改善。如果TX通路VSWR容差性能良好，設(shè)計(jì)人員就能根據(jù)其具體設(shè)計(jì)中的側(cè)重點(diǎn)，靈活地權(quán)衡參數(shù)。

總之，失配情況下評估方案的重要性必須得到重視。這為設(shè)計(jì)人員打開了新思路，他們能以前所未有的方式進(jìn)行系統(tǒng)級性能權(quán)衡。如果只是根據(jù)50歐姆實(shí)驗(yàn)室測試來檢測解決方案，可能會導(dǎo)致無法正確選擇合適的設(shè)計(jì)架構(gòu)。