未來手機(jī)RF前端設(shè)計解析

在過去十年中，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、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，能夠滿足人們的移動信息需求。

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

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

已涉足此行業(yè)數(shù)年的設(shè)計工程師可能還記得，幾年前，語音是決定產(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)。

天線位于手機(jī)外部

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

直至今天，這依然很重要，因?yàn)楣β史糯笃?PA)對于通話時間影響很大，而這直接關(guān)系到使用某種型號或某個品牌手機(jī)時的用戶體驗(yàn)。如果設(shè)計人員能夠優(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)者市場中會占據(jù)更有力的競爭地位。天線及其實(shí)際性能間的一致性使得手機(jī)設(shè)計人員能夠通過天線與PA的阻抗匹配靈活地優(yōu)化設(shè)計，以便盡可能高效地提供最高功率。

手機(jī)設(shè)計今非昔比

時光荏苒，手機(jī)市場發(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，專注于軟件應(yīng)用勝過提升用戶體驗(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。現(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線或平面倒F天線(PIFA)(參見圖2)，多數(shù)情況下它們的效率低于過去的天線。

現(xiàn)在的手機(jī)采用的是貼片天線或平面倒F天線

不過，為了解決設(shè)計人員面臨的難題，一些手機(jī)轉(zhuǎn)而采用過去的短截線天線。這種性能與外形尺寸間的取舍，會直接影響電池壽命、通話時間和網(wǎng)絡(luò)可用性方面的用戶體驗(yàn)，因?yàn)樘炀€選擇及其使用環(huán)境會影響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。一種是用戶按傳統(tǒng)方式將手機(jī)貼在頭部附近通話，或者置于頭部前方，使用揚(yáng)聲器通話，還有一種情況是手機(jī)并沒有握在手里，而是與用戶有一定的距離。

天線的VSWR性能差別很大，這只是其中的三種主要場景，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，但為簡單起見，本文僅討論以上三種情況。有關(guān)天線VSWR性能的差別請參見圖3。

天線的VSWR性能

圖3：手機(jī)中PIFA天線的VSWR性能

這些頻率響應(yīng)說明了在當(dāng)前新一代手機(jī)中，PA面臨的不同VSWR要求。對于這類手機(jī)，在頻段邊緣，PA對應(yīng)的VSWR范圍為5:1到2:1。VSWR性能還會影響接收靈敏度。許多手機(jī)設(shè)計人員涌來評估RF前端的通常做法是，在50歐姆實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測量性能。

實(shí)際上，這種方法對于今天的設(shè)計已不再適用，因?yàn)镻A所面對的阻抗是不可預(yù)測的。設(shè)計人員要優(yōu)化解決方案，以為終端用戶提供最佳通話時間，就必須著手在不同的VSWR條件下檢測RF前端。

諸如3GPP等標(biāo)準(zhǔn)委員會制定了空中測試(OTA)要求。一般來說，這些要求要比運(yùn)營商的要寬松得多，因?yàn)楹笳咝枰鼑?yán)格的OTA性能。運(yùn)營商為其手機(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，而天線效率和傳播效果隨頻率不同，會有-11dB的損耗。如果RF前端都按照這些要求進(jìn)行評估和對比，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)對通話時間的影響

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。圖4、圖5和圖6分別給出了這三種架構(gòu)的簡化框圖。

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)，就能非常出色地控制功率?？刂乒β实姆椒ㄊ牵和ㄟ^調(diào)整放大器的基級偏壓來控制增益，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，通過調(diào)節(jié)集電極電壓而非基級偏壓來控制功率。

功率檢測