2G/3G/4G終端對手機PA的不同需求

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

　　在3G市場，WCDMA相關產(chǎn)品占有70%以上的份額，這些產(chǎn)品包括手機、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PA的基本規(guī)格要求主要來自于手機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，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)展為支持數(shù)字化三重輸出功率運作，同一顆PA必須在高、中、低三種功率輸出時都具有優(yōu)異的使用效率，通話時可在多個功率輸出模式下自動切換，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雜，會影響到手機系統(tǒng)EVM的連續(xù)性，這也是PA廠商與手機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。其內部通常帶有穩(wěn)壓器的設計，因此無需任何外部參考電壓。還需要優(yōu)異的溫度補償設計，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)。單個獨立的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，因為大量數(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手機用PA，其基本規(guī)格與最新一代WCDMA/HSPA手機用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共存的手機平臺上，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，因而有些廠商會直接采用新一代的WCDMA Band-1手機PA。

　　4G市場上，現(xiàn)有的手持LTE設備以數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡為主，也有少量高端手機面市。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，對內置耦合器與三重輸出功率運作的要求也一致。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PA面市，以適應歐美地區(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)品設計者可以更靈活地進行射頻前端的組件布局和線路設計，并節(jié)省PA組件成本。

　　GSM/EDGE四頻PA模塊也顯示出演進的趨勢。大部分3G/4G設備，尤其是智能型手機與數(shù)據(jù)上網(wǎng)卡等快速傳輸大量數(shù)據(jù)的應用設備需向下兼容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)送信號的保真度。因此，GSM/EDGE四頻PA功放模塊的規(guī)格要求相比價格低廉的GSM/GPRS PA模塊要復雜得多，也更難以實現(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，其它手機芯片平臺商則大多采用線性(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作，而非傳統(tǒng)Vramp調控，這樣能為低頻段(850MHz/900MHz)與高頻段各提供3至4種功率模式，進一步提高效能并延長通話時間。

　　隨著手機與數(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)會越來越多，天線開關模塊(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變少，因為手機芯片廠商紛紛強化其收發(fā)器的特性，標榜SAW-less手機平臺，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PA為核心，進一步集成各種射頻前端模塊也是一個明顯趨勢。

　　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單個頻段沿著信號收發(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)個常用頻段的PA集成在單一封裝中，如WCDMA/HSPA頻段1與5的結合、2與5的結合以及1與8的結合，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)與天線開關的高度集成。

　　手機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，還需滿足嚴格的通信標準以傳送信號，其耗電量在手機終端產(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PA廠商需肩負起提升終端產(chǎn)品通信品質、降低產(chǎn)品功耗與簡化射頻前端的責任。