智能手機(jī)進(jìn)入全面屏?xí)r代又將如何克服射頻前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

智能手機(jī)進(jìn)入全面屏?xí)r代未來幾代智能手機(jī)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有吸引力的用戶體驗(yàn)的下一代智能手機(jī)。 這些下一代設(shè)備必須能夠兼具有吸引力的外形和提供高性能連接的能力。射頻（RF）工程師面臨的挑戰(zhàn)是在不犧牲RF性能的情況下實(shí)現(xiàn)下一代智能手機(jī)的設(shè)計(jì)。 本文提供了克服這一挑戰(zhàn)的方法，特別是在全屏智能手機(jī)的情況下的射頻前端設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

智能手機(jī)制造商正在推出具有邊緣到邊緣顯示屏和18：9寬高比屏幕的全新手機(jī)。外形尺寸因素是通過減少天線可用空間來實(shí)現(xiàn)的，但這會(huì)影響天線性能，可能會(huì)導(dǎo)致問題，包括更短的電池壽命，連接問題和更低的數(shù)據(jù)速率。整個(gè)射頻前端的Tx和Rx路徑需要提高性能，以補(bǔ)償天線影響并保持總輻射功率和Rx接收靈敏度的要求。

天線空間受限的問題

制造商正在轉(zhuǎn)向“全屏”設(shè)計(jì)，邊緣到邊緣的顯示屏幾乎占據(jù)整個(gè)手機(jī)面的智能手機(jī)。與此同時(shí)，媒體格式要求正在推動(dòng)屏幕寬高比從16：9變?yōu)?8：9。

這些更改減少了可用于天線的空間，天線必須位于屏幕占用的區(qū)域之外。天線面積縮小高達(dá)50％，屏幕頂部和底部的邊框從高度7-8毫米減少到3-4毫米（圖1a）。由于長寬比變化，手機(jī)也變得越來越窄（圖1b），因此天線必須更短。

圖1a，b。

圖1a，b。全屏設(shè)計(jì)縮小了天線可用的邊框區(qū)域。由于轉(zhuǎn)換為18：9寬高比，手機(jī)也變得更窄。

更少天線的更多天線

這個(gè)問題越來越嚴(yán)重，智能手機(jī)中天線的典型數(shù)量從2-4增加到4-6，甚至可能會(huì)更多，而天線可用空間在縮?。ㄈ缢緢D2）。但是手機(jī)需要更多的天線，以使用多種方式來提供更高的數(shù)據(jù)速率，包括多頻帶載波聚合（CA，carrier aggregation ），4x4 LTE MIMO，Wi-Fi MIMO以及增加新的5G頻段。另外，隨著600 MHz頻段的增加，頻譜范圍在不斷擴(kuò)大，高頻段的頻率在3GHz以上即將投入使用。

圖2.手機(jī)需要在更小的空間內(nèi)容納更多的天線

圖2.全屏幕是更大問題的一部分：手機(jī)需要在更小的空間內(nèi)容納更多的天線

天線性能影響

天線面積和長度的減小都會(huì)影響天線的性能。減小天線面積會(huì)大大降低天線效率（如圖3a所示）。天線的帶寬也會(huì)隨之降低，這使得特定頻段的效率優(yōu)化變得更加困難（圖3b）。天線的影響可以顯著降低Tx和Rx的性能，導(dǎo)致電池壽命縮短，連接不良，工作范圍縮小以及數(shù)據(jù)速率降低等問題。

圖3a，b。

圖3a，b。減少天線面積會(huì)影響天線效率和帶寬。

克服挑戰(zhàn)

由于全屏設(shè)計(jì)，較低的天線效率和帶寬直接影響關(guān)鍵的發(fā)射和接收RF性能指標(biāo)，如：總輻射功率（TRP，Total Radiated Power）和接收（Rx）靈敏度。補(bǔ)償這些影響需要在射頻前端（RFFE，RF front end）內(nèi)的整個(gè)Tx和Rx通道中提高性能。

集成模塊是實(shí)現(xiàn)這些性能改進(jìn)的關(guān)鍵，同時(shí)還可以在分配給射頻前端（RFFE，RF front end）的有限空間內(nèi)繼續(xù)添加新的RF功能。將各個(gè)組件集成到模塊中可減少由板上匹配引起的信號(hào)損失。集成還有助于制造商簡化和加速手機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。簡化的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的性能降低了不能滿足產(chǎn)品發(fā)布目標(biāo)日期和違反運(yùn)營商性能規(guī)定等的風(fēng)險(xiǎn)。

下面我們回顧一下工程師可以用來解決全屏幕挑戰(zhàn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法。

增加總輻射功率（TRP， Total Radiated Power ）

為了增加TRP，有必要最大化Tx路徑中關(guān)鍵組件的性能（如圖4所示）。這些包括功率放大器（PA），濾波器和天線調(diào)諧器。

圖4. RF通路中影響TRP的組件模塊

圖4. RF通路中影響TRP的組件模塊。

先進(jìn)的功率放大器增加輸出的線性功率和效率

提高PA輸出功率是提供更高總輻射功率（TRP， Total Radiated Power ）的關(guān)鍵第一步。面臨的挑戰(zhàn)是增加功率放大器的輸出功率，同時(shí)保持線性，最大限度地減少電流消耗并避免散熱問題。

隨著業(yè)界采用新的Power Class 2（High Performance User Equipment，高性能用戶設(shè)備）標(biāo)準(zhǔn)，提高功率輸出變得更加重要。功率等級(jí)2規(guī)范將天線處的輸出功率翻倍至26 dBm，以克服高頻頻率下更大的電波傳播損耗。移動(dòng)運(yùn)營商開始使用Power Class 2來增加41頻段的覆蓋范圍。

需要先進(jìn)的制造工藝和封裝技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)功率放大器的更高功率輸出，線性度，效率和散熱性能等設(shè)計(jì)目標(biāo)。 HBT5 GaAs工藝提供業(yè)界領(lǐng)先的線性功率輸出和功率附加效率（PAE，power added efficiency）。與早期的工藝相比，HBT5還提供了顯著提高的平均壽命改進(jìn)，這允許在更高的電流密度下工作以增加功率放大器的增益和功率效率。先進(jìn)的封裝加強(qiáng)了散熱性能，使用銅柱可有效地散發(fā)較輸出高功率水平下所產(chǎn)生的熱量。

Gen-5 RF Flex射頻前端模塊產(chǎn)品組合集成了功率放大器，低損耗開關(guān)和其他核心器件組件，有助于在全屏設(shè)計(jì)中提高LTE模式下的功率輸出。 RF Flex Gen-5 QM56022多頻段功率放大器模塊中包括高，中，低頻功率放大器以及后置功率放大器開關(guān)，可將LTE功率輸出增加1dB以上，有助于滿足運(yùn)營商對(duì)功率等級(jí)2（Power Class 2）； RF Flex Gen-5 QM57508發(fā)射模塊具有2G PA，低損耗開關(guān)和天線耦合器，在2G模式下可提供0.5到1dB更多的輸出功率。

改進(jìn)的電源管理

電源管理組件可與兼容功率放大器配合使用，以最大限度地提高功率輸出，同時(shí)最大限度地降低電流消耗，包括QM56022在內(nèi)的功率放大器與包絡(luò)跟蹤（ET，envelope tracking）解決方案兼容，該解決方案通過連續(xù)調(diào)整功率放大器電源電壓以跟蹤射頻發(fā)射信號(hào)的包絡(luò)來優(yōu)化效率。對(duì)于平均功率跟蹤（APT，average power tracking）應(yīng)用，另一種方法是使用升壓組件（voltage boost component），如 QM81050：當(dāng)需要更高的輸出功率時(shí)，例如當(dāng)用戶距離移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站較遠(yuǎn)時(shí)，可以通過增加PA的電源電壓來增加PA的輸出功率。

濾波器

每年，工程師越來越依賴射頻濾波器來管理干擾，今天的手機(jī)支持多達(dá)40個(gè)頻段以及其他無線技術(shù)，如Wi-Fi和藍(lán)牙。低損耗濾波器（包括雙工器（duplexers）和多路復(fù)用器（multiplexers））對(duì)于降低PA后端的損耗至關(guān)重要，以幫助實(shí)現(xiàn)更高總輻射功率（TRP， Total Radiated Power ）的設(shè)計(jì)目標(biāo)。除了提供低插入損耗之外，濾波器還必須能夠承受住PA在全屏設(shè)計(jì)中所產(chǎn)生的更高功率。 BAW固態(tài)諧振器（SMR，solidly mounted resonator）濾波器針對(duì)高功率應(yīng)用（包括功率等級(jí)2）進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。BAW SMR濾波器通過固體反射器堆疊來有效地實(shí)現(xiàn)散熱，提供更低的熱阻和更短的熱時(shí)間常數(shù)。

BAW濾波器在高于1.5 GHz的頻率上提供最大的優(yōu)勢(shì)，并被用于許多更高頻率的LTE頻段。這使它們非常適合用于5G的新型高頻段和超高頻段的頻譜應(yīng)用中。

天線調(diào)諧器（Antenna Tuners ）

天線調(diào)諧對(duì)全屏設(shè)計(jì)產(chǎn)生巨大影響，好的天線調(diào)諧方案有助于提高電池壽命和數(shù)據(jù)速率。天線調(diào)諧通常能將TRP提高3 dB。這可以顯著提高手機(jī)電池的使用壽命，因?yàn)橄到y(tǒng)需要較少的電流來在天線處產(chǎn)生所需的功率。

隨著天線數(shù)量的不斷增加和可用空間的減少，天線調(diào)諧變得更加重要。智能手機(jī)可能使用多天線的天線調(diào)諧解決方案。天線調(diào)諧器在低頻段具有最大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榈皖l段傳輸受到全屏設(shè)計(jì)中減小的天線面積的影響最大，因此需求最大。

智能手機(jī)可以利用兩種方法進(jìn)行天線調(diào)諧?？讖秸{(diào)諧（Aperture tuning）（圖5）對(duì)于優(yōu)化多頻段天線效率以及補(bǔ)償環(huán)境影響（如用戶的手位置）尤為重要。阻抗調(diào)諧（Impedance tuning）通過降低由于阻抗不匹配而在天線反射的功率來增加TRP。

圖5.阻抗和孔徑調(diào)諧

圖5.阻抗和孔徑調(diào)諧（Impedance and aperture tuning）。

提高Rx靈敏度

諸如天線調(diào)諧解決方案，低損耗濾波器和雙工器以及低噪聲放大器（LNA）等高性能RFFE（射頻前端）組件對(duì)于提高全屏設(shè)計(jì)中的Rx靈敏度同樣重要。它們一起可以將Rx靈敏度提高幾個(gè)dB，通過增加操作范圍和數(shù)據(jù)速率來補(bǔ)償縮小的天線尺寸所帶來的不利音箱，并改善用戶體驗(yàn)。

天線共享

展望未來，天線共享正逐漸成為滿足全屏手機(jī)天線數(shù)量日益增加的重要手段。 天線共享使得單個(gè)天線可用于多種用途，從而減少了手機(jī)系統(tǒng)增加天線的需求，并有助于避免性能下降。 需要?jiǎng)?chuàng)新的射頻前端（RFFE，RF front end）解決方案來實(shí)現(xiàn)天線共享，并在射頻前端（RFFE，RF front end）的復(fù)雜性不斷增加時(shí)保持天線數(shù)量在可控范圍內(nèi)。

總結(jié)

高性能射頻前端（RFFE，RF front end）解決方案對(duì)于彌補(bǔ)由于過渡到全屏手機(jī)和18：9屏幕長寬比所造成的天線影響至關(guān)重要。 整個(gè)Tx和Rx通道都需要提高性能，以保持TRP和Rx靈敏度，同時(shí)最大限度地降低功耗。包括高功率PA，低損耗濾波器和天線調(diào)諧器在內(nèi)的相關(guān)的射頻前端（RFFE，RF front end）解決方案組合，可以幫助克服挑戰(zhàn)。

圖6、5G需要整合各種技術(shù)