新一代手機的RF架構(gòu)如何選擇

2017-08-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

現(xiàn)在的智能手機基本被劃分為三個類別,即:低端智能機、中斷智能機以及高端智能機三大類。不同類別的智能手機當然對RF架構(gòu)有著不一樣的需求,不同的RF架構(gòu)意味著不同的射頻前端的集成方法。高集成度射頻前端方案例如 Qorvo 的 RF Fusion?,該架構(gòu)集成了所有主要的發(fā)射和接收功能,包括支持所有主要的頻段和全球載波聚合部署。該方法最大限度地提升了性能、節(jié)省了空間,并幫助制造商僅僅在單一設計上采用一些變體 (SKU) 就能實現(xiàn)全球覆蓋。

手機射頻電路

相比之下,中端區(qū)域性手機對 RFFE 的要求則大不相同。為最大限度地降低手機成本,制造商設法只添加特定區(qū)域頻段所需的 RF 元件,但是,他們需要快速調(diào)整手機設計以滿足不同區(qū)域和客戶的需求。這就需要能夠?qū)崿F(xiàn)設計靈活性的 RFFE 架構(gòu),例如 Qorvo 的 RF Flex?。RF Flex 集成一部手機在多個區(qū)域環(huán)境中常用的核心 RF 元件,如功率放大器和開關(guān);然后制造商只需要添加適當?shù)臑V波器,即可迅速生產(chǎn)用于特定區(qū)域和運營商的機型。

載波聚合的挑戰(zhàn)

如今,先進的封裝技術(shù)支持將多個 RFFE 元件整合到集成模塊中,幫助智能手機制造商加速新手機的設計和制造。然而,我們之前有提到,并非所有的智能手機都有相同的 RFFE 集成需求;智能手機市場已經(jīng)趨于多樣化,被分成多個類別,具有不同的設計目標和重點。那么,問題來了:RFFE 集成的正確水平是怎樣的?對每個智能手機類別來說,最好的集成方法是什么?

如今,兩個主要的智能手機類別分別是專為超級區(qū)域或全球范圍使用而設計的旗艦手機,以及為區(qū)域范圍使用而設計的中端和入門級手機。這兩個類別有著明顯不同的設計重點、價位和開發(fā)時間表。

旗艦手機設計高端、性能優(yōu)越,通常在全球范圍推出和上市,零售價不低于 500 美元。雖然旗艦手機數(shù)量相對較少,但是它們卻占了全球手機銷售額的很大比重,且數(shù)量還在不斷增長。

旗艦手機的設計目標是僅僅在單一設計上采用一些變體 (SKU) 就能支持在全球范圍使用。每個 SKU 都包含大量 RF 內(nèi)容以支持多個網(wǎng)絡和國際使用,通常支持 6 種模式和 15 個以上的 LTE 頻段。為了提供最快的數(shù)據(jù)速率,如今的旗艦手機還搭載 6 類以上的調(diào)制解調(diào)器,并支持下行和上行載波聚合 (CA)。

對于旗艦手機的制造商來說,限制 SKU 數(shù)量提供了關(guān)鍵的優(yōu)勢,可以降低生產(chǎn)和庫存管理的復雜度。旗艦手機的產(chǎn)品周期相對較長,其 RF 設計要求通常固定為產(chǎn)品發(fā)布前的 12 至 18 個月。

相比之下,中端和入門級區(qū)域性手機則專為區(qū)域使用而設計,具備一些漫游功能。這類手機的型號和制造商都很多,手機零售價格低于 500 美元。這個競爭激烈的細分市場占據(jù)了全球銷量的最大比重,且隨著對價格敏感的消費者從 2G 和 3G 手機過渡到 4G LTE 手機,其增長速度比其他細分市場更快,特別是像中國這樣的市場。

由于中端手機是專為區(qū)域使用而設計的,為最大限度地降低手機成本,制造商設法只添加特定區(qū)域頻段所需的 RF 元件。一部典型的中端手機支持 5 種模式和 5-8 個 LTE 頻段,并搭載一個 4 類以上的調(diào)制解調(diào)器;一些機型提供有限的載波聚合支持,主要為下行載波聚合。

瞬息萬變的市場需求意味著產(chǎn)品開發(fā)時間非常短,需要高度的設計靈活性,尤其在中國更是如此。例如,一些手機是專為滿足單一移動網(wǎng)絡運營商的需求而設計的。運營商可能會在手機預定發(fā)布日期前的 2 至 6 個月才選定一個合約制造商。由于手機制造商事先并不知曉他們的客戶會是誰,因此他們必須能夠快速地調(diào)整手機設計來適應不同的網(wǎng)絡和區(qū)域。

有些制造商專注于國內(nèi)銷售,而有些制造商正在努力拓展海外市場。那些設法增加出口的制造商開始在他們的中端手機中加入更多的 LTE 頻段來減少針對新市場開發(fā)機型所需的工程設計工作。

在本白皮書中,我們將討論這兩大智能手機類別 – 旗艦手機和中端手機 – 的不同 RFFE 集成要求并提供適用于每個類別的 RFFE 架構(gòu)示例。

旗艦手機的RFFE集成

旗艦手機需要且應該具有非常高的 RFFE 集成度。為吸引消費者關(guān)注這些高端設備,制造商設法將最高級的功能和性能塞入精美的超薄手機中。RFFE 必須集成大量的頻段來支持超級區(qū)域或全球范圍的使用,同時采用多個上行和下行載波聚合組合以提高性能。另一個驅(qū)動 RFFE 集成的因素是 RFFE 在手機里可用的空間有限,因為制造商設法最大限度地增加分配給電池的空間并加入多個天線以提高性能。

由于旗艦手機的 RF 需求通?？芍辽偬崆耙荒甏_定,因此 RFFE 設計人員可以專注于將最多的功能集成到前端模塊中,而無需太擔心需求會在模塊設計周期發(fā)生改變。

專為旗艦手機設計的一個 RFFE 架構(gòu)示例是 Qorvo 的 RF Fusion,它將所有主要的發(fā)射和接收功能(包括對主要頻段的支持)都集成到三個緊湊模塊中,實現(xiàn)高、中、低頻段頻譜區(qū)域全覆蓋。該架構(gòu)設計還支持載波聚合在全球市場的快速部署。每個模塊都集成了功率放大器 (PA)、開關(guān)和濾波器。通過采用先進的晶圓級封裝,RF Fusion 比分立元件節(jié)省了大約 30-35% 的空間。

圖 1.Qorvo RF Fusion QM78064 高頻段模塊

圖 1 所示為 RF Fusion QM78064 高頻段模塊,它同時支持 FDD-LTE(帶有集成頻段 7 雙工器)和 TDD-LTE(頻段 40 和 41),并搭載一個支持 20 MHz + 20 MHz 上行載波聚合的寬帶 B41 LowDrift? BAW 濾波器。該模塊還配備一個天線開關(guān)并支持包絡跟蹤 (ET) 和平均功率跟蹤 (APT),以盡可能減少能源消耗。

這種將功能劃分到高、中、低頻段模塊中的 RFFE 集成方法具有幾個關(guān)鍵的優(yōu)勢。

如圖 2 所示,每條通道上實現(xiàn)元件集成,無需對元件進行板載匹配,從而提升了性能。這將發(fā)射和接收的匹配損耗降低多達 0.5 dB,進而降低電流消耗和熱負荷。這種布局還在功率放大器的帶寬范圍內(nèi)集成相應頻段的濾波器,確保了每個功率放大器能得到最高效的利用。每個模塊的改進性能使制造商更容易實現(xiàn)手機的整體性能目標。

RF Fusion 架構(gòu)也為載波聚合提供了明顯的優(yōu)勢。這一點對旗艦手機來說尤為重要,因為制造商正在快速添加載波聚合支持。一些組合了寬間隔頻段(例如低頻段和高頻段)的聚合存在諧波干擾的風險。低頻段諧波進入高頻段的接收頻率,可能會使接收器靈敏度下降。將這些頻段拆分到不同的模塊,可增加它們之間的物理隔離,從而減少諧波干擾的可能性。該架構(gòu)還有助于支持窄間隔頻段的聚合和帶內(nèi)載波聚合,因為支持特定聚合的多路復用器可以集成到每個模塊中(例如,RF Fusion QM78013 中頻段模塊搭載一個支持 B1+B3 載波聚合的四工器)。

RF Fusion 的高度集成有助于制造商簡化和加速手機設計和開發(fā)。制造商可從單一來源集成三個模塊,而無需挑選、匹配、集成 30 個或更多的分立元件。這就提高了制造產(chǎn)量并降低了元件失效的風險。簡化的設計和改進的性能降低了錯失產(chǎn)品預定發(fā)布日期和不符合運營商標準的風險。

區(qū)域性中端手機的RFFE設計靈活性

與全球性高端手機相比,區(qū)域性中端手機有著明顯不同的 RFFE 要求。由于手機價格在這個競爭激烈的細分市場中尤為關(guān)鍵,制造商通常設法只添加每個目標區(qū)域或運營商需要的 RF 元件。設計靈活性至關(guān)重要,因為制造商必須能夠快速調(diào)整手機以適應不同的區(qū)域;他們通常只有幾個月的時間來開發(fā)手機和符合運營商標準,甚至在該期間內(nèi),具體需求還可能會出現(xiàn)改變。

為了以最低的成本快速開發(fā)手機型號,制造商需要盡可能減少對 RFFE 架構(gòu)工程設計的投入精力,以便能夠通過添加每個區(qū)域或運營商所需的特定頻段來快速調(diào)整手機設計。通常,制造商希望僅使用一個印刷電路板 (PCB) 布局,通過添加不同的 RF 元件即可生產(chǎn)多個 SKU。

為滿足這些中端手機的需求,需要采用一種不同于旗艦手機的 RFFE 集成方法。Qorvo 的 RF Flex 就是這種方法的一個例子,它提供了廣泛的模塊組合,旨在為中端智能手機制造商提供靈活性,以快速地生產(chǎn)出不同的機型。

每個 RF Flex 模塊都集成了核心 RF 元件,通用于手機的多個區(qū)域性變體。如今,這些元件通常是功率放大器 (PA) 和開關(guān)。制造商只需添加特定運營商網(wǎng)絡和區(qū)域所需的濾波器,即可快速地生產(chǎn)區(qū)域性手機變體。

RF Flex 為制造商提供設計靈活性,使他們能夠通過僅采用所需 RF 組件來最大程度降低手機成本。同時,這種方法也在有意義的地方應用集成,實現(xiàn)了諸多好處,例如節(jié)省空間和簡化設計等。

RF Flex 架構(gòu)還具有可擴展性,對于尋求全球擴展功能的制造商尤為寶貴;他們可以設計一款用于國內(nèi)的機型,并可迅速添加更多濾波器,從而支持其他國家/地區(qū)所使用的頻段。

場景 1 制造商設計了一款采用 RF5422 多頻段 PA 模塊和 RF5228 高級發(fā)送模塊的中端手機。RF5422 提供所有必要的 3G 和 4G PA 功能;RF5228 為所有頻段提供 2G 支持和天線開關(guān)功能。針對中國市場,制造商添加了濾波器以支持 1、3、8、34、39、40 和 41 頻段。通過簡單添加頻段 7 和 20 的濾波器,即可針對歐洲的使用來對相同設計進行擴展。制造商可以在兩個區(qū)域使用相同的 PCB 設計,并根據(jù)需要在 PCB 中添加濾波器。

場景 2 RF5422 最多支持 5 個低頻頻段,足以滿足許多中端手機的需要。當制造商需要支持其他低頻頻段時,就可以轉(zhuǎn)而使用 RF5427,這是一款低頻和極低頻段的模塊,最多支持 7 個頻段。RF5427 結(jié)合 RF5426 中頻和高頻模塊使用,可提供全頻段覆蓋范圍。結(jié)合使用時,這兩個模塊還可提供額外的隔離功能,協(xié)助高頻段和低頻段的載波聚合組合功能。

結(jié) 論

為滿足旗艦手機和中端手機的不同要求,需要使用不同的 RFFE 集成方法。高度集成模塊最大限度地為面向全球市場的旗艦手機提升了性能、節(jié)省了空間。核心 RF 功能的針對性集成實現(xiàn)了中端手機的設計靈活性,使制造商能夠快速調(diào)整手機以適應不同運營商和區(qū)域的需求。

中端手機和旗艦手機的 RF 內(nèi)容將隨著更多頻段和載波聚合組合的部署而逐漸增加。中端手機和旗艦手機的 RF 模塊都將相應地變得越來越集成化,同時保留每個類別所要求的顯著特征。

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