2G/3G/4G終端對手機(jī)PA的不同需求分析

近年來，手機(jī)用功率放大器(PA)市場隨著智能型手機(jī)的興起以及各種手持設(shè)備對大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤龆喽兊酶蛹t火，本文將探討手機(jī)PA在2G/3G/4G終端市場中的演進(jìn)趨勢。

　　在3G市場，WCDMA相關(guān)產(chǎn)品占有70%以上的份額，這些產(chǎn)品包括手機(jī)、數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡、3G系統(tǒng)模塊，以及各種各樣配備3G通訊設(shè)備的產(chǎn)品(如平板電腦、電子書等)。2010年問市的最新一代WCDMA/HSPA手機(jī)PA的基本規(guī)格要求主要來自于手機(jī)芯片廠商高通的建議，每款單一頻段的PA尺寸從原本的4mm×4mm大幅縮小至3mm×3mm，并且需將原來位于PA之外的定向耦合器與所需的匹配電路一起集成到3mm×3mm的功放內(nèi)，以有效簡化射頻前端電路，大幅縮減所占的電路板面積。

　　功率輸出模式則從原來的提供兩種輸出功率，發(fā)展為支持?jǐn)?shù)字化三重輸出功率運(yùn)作，同一顆PA必須在高、中、低三種功率輸出時(shí)都具有優(yōu)異的使用效率，通話時(shí)可在多個(gè)功率輸出模式下自動(dòng)切換，以獲得最高的功率效率，有效延長電池使用壽命。不過，三重輸出功率模式的切換較為復(fù)雜，會(huì)影響到手機(jī)系統(tǒng)EVM的連續(xù)性，這也是PA廠商與手機(jī)芯片廠商必須克服的問題。

　　此外，新的PA要能在尺寸、腳位與功能上與其它PA廠商完全兼容。其內(nèi)部通常帶有穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)，因此無需任何外部參考電壓。還需要優(yōu)異的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，在極端的工作環(huán)境(-40°C至+85°C)下，仍然可以保持穩(wěn)定的PA特性。同時(shí)還要求每款PA能與HSPA/HSPA+兼容。

　　最通用的WCDMA/HSPA頻段包括Band 1(1,920～1,980MHz)、Band 2(1,850～1,910MHz)、Band 5(824～849MHz)以及Band 8(880～915MHz)。單個(gè)獨(dú)立的PA支持單一的WCDMA/HSPA頻段仍是市場主流。整體來說，相對于2G(GSM/GPRS/EDGE)應(yīng)用對PA的規(guī)格要求，3G/4G對于PA的線性度及功耗要求更高，因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)的快速傳輸需要高線性度的支持。

　　對于3G市場所需的CDMA2000/EV-DO手機(jī)用PA，其基本規(guī)格與最新一代WCDMA/HSPA手機(jī)用PA也日趨一致，朝著3mm×3mm微型封裝、集成耦合器的方向發(fā)展。而在WCDMA與CDMA共存的手機(jī)平臺(tái)上，同頻段的WCDMA與CDMA的PA將可以共享。

　　對于3G市場所需的TD-SCDMA/HSDPA手機(jī)PA，因使用頻段(1,880～1,920MHz以及2,010～2,025MHz)與WCDMA Band-1頻段相近，且基本規(guī)格要求也相仿，因而有些廠商會(huì)直接采用新一代的WCDMA Band-1手機(jī)PA。

　　4G市場上，現(xiàn)有的手持LTE設(shè)備以數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡為主，也有少量高端手機(jī)面市。無論是FDD-LTE還是TD-LTE所采用的PA，基本上其尺寸與規(guī)格要求都與WCDMA PA非常相似，差別僅在頻段上。目前在售的LTE PA的引腳與功能完全兼容，對內(nèi)置耦合器與三重輸出功率運(yùn)作的要求也一致。LTE的頻段繁多，在TD-LTE方面，中國工信部已經(jīng)正式批準(zhǔn)了2,570MHz～2,620MHz之間總共50M的TD-LTE頻率。此外，業(yè)界對采用2.3GHz頻率的呼聲也很大。而在FDD-LTE通用的頻段上已陸續(xù)有手機(jī)PA面市，以適應(yīng)歐美地區(qū)的LTE頻段。如今的LTE裝置大多需向下兼容WCDMA/HSPA以及GSM/EDGE。在LTE設(shè)備中，如果采用的某些LTE頻段與WCDMA/HSPA頻段一致，LTE與WCDMA/HSPA也可共享同一顆PA，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者可以更靈活地進(jìn)行射頻前端的組件布局和線路設(shè)計(jì)，并節(jié)省PA組件成本。

　　GSM/EDGE四頻PA模塊也顯示出演進(jìn)的趨勢。大部分3G/4G設(shè)備，尤其是智能型手機(jī)與數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡等快速傳輸大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用設(shè)備需向下兼容GSM/EDGE。對GSM/EDGE PA模塊的EDGE部分而言，與3G/4G功放相同，不僅需要特定水平的輸出功率，還要求具備高線性度，以確保向基站發(fā)送信號(hào)的保真度。因此，GSM/EDGE四頻PA功放模塊的規(guī)格要求相比價(jià)格低廉的GSM/GPRS PA模塊要復(fù)雜得多，也更難以實(shí)現(xiàn)。GSM/EDGE四頻PA模塊的市場仍然牢牢掌握在國外廠商手里。

　　在GSM/EDGE市場上，高通等廠商過去采用的是極性(Polar)PA模塊，其它手機(jī)芯片平臺(tái)商則大多采用線性(Linear)PA模塊。業(yè)界的最新趨勢是向線性PA模塊靠攏，尺寸也縮小到5mm×5mm，砷化鎵仍然是主流。另一個(gè)新趨勢是某些GSM/EDGE四頻線性PA模塊采用與3G PA相似的多重輸出功率運(yùn)作，而非傳統(tǒng)Vramp調(diào)控，這樣能為低頻段(850MHz/900MHz)與高頻段各提供3至4種功率模式，進(jìn)一步提高效能并延長通話時(shí)間。

　　隨著手機(jī)與數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡等通信產(chǎn)品朝著多模(2G/3G/4G)、多頻的方向發(fā)展，射頻前端所需的各種功放與雙工器(Duplexer)會(huì)越來越多，天線開關(guān)模塊(Antenna Switch Module)也逐步發(fā)展到SP9T、SP10T，甚至SP12T。SAW濾波器的用量可能會(huì)變少，因?yàn)槭謾C(jī)芯片廠商紛紛強(qiáng)化其收發(fā)器的特性，標(biāo)榜SAW-less手機(jī)平臺(tái)，以減少Tx與Rx的SAW濾波器需求量。為簡化射頻前端電路并減小占板面積，以手機(jī)PA為核心，進(jìn)一步集成各種射頻前端模塊也是一個(gè)明顯趨勢。

　　目前較普遍的以PA為核心的射頻前端模塊(RF FEM)基本上有三種形式：一種是3G單個(gè)頻段沿著信號(hào)收發(fā)路徑的集成，如WCDMA/HSPA功放+雙工器+SAW濾波器，一般尺寸為4mm×7mm;一種是3G數(shù)個(gè)常用頻段的PA集成在單一封裝中，如WCDMA/HSPA頻段1與5的結(jié)合、2與5的結(jié)合以及1與8的結(jié)合，這些由兩種頻段PA合而為一的3G PA模塊尺寸約為4mm×5mm;另一種則是2G PA模塊(GSM/GPRS或GSM/EDGE四頻PA模塊)與天線開關(guān)的高度集成。

　　手機(jī)PA在2G/3G/4G終端產(chǎn)品中非常重要，除了需求量大幅增加之外，還需滿足嚴(yán)格的通信標(biāo)準(zhǔn)以傳送信號(hào)，其耗電量在手機(jī)終端產(chǎn)品上也僅次于LCD屏幕，再加上在各式射頻前端模塊上扮演的核心角色，手機(jī)PA廠商需肩負(fù)起提升終端產(chǎn)品通信品質(zhì)、降低產(chǎn)品功耗與簡化射頻前端的責(zé)任。