【導讀】智能手機內部的PCB已成為移動終端第二大最珍貴且競爭最激烈的領域，僅次于無線電頻譜。本來為緩解帶寬稀缺問題而出現的新增無線電頻段的擴展，卻恰恰加劇了智能手機內PCB空間的壓力，再沒有多余的空間來擴大射頻前端。怎么辦？在這種情況下，最需要的就是“以少勝多”的全新移動射頻前端。
智能手機內部的印刷電路板（PCB）區域已成為移動終端第二大最珍貴且競爭最激烈的領域，僅次于無線電頻譜。具有諷刺意味的是，本來為緩解帶寬稀缺問題而出現的新增無線電頻段的擴展，卻恰恰加劇了智能手機內PCB空間的壓力。更多的頻段需要更多獨立的射頻（RF）前端元件，如功率放大器、多頻帶開關、雙工器、濾波器以及匹配元件等。加上對更大屏幕、四核應用處理器、無線連接、電池和附加元件的需求，全部這些都要被封裝在超薄外殼內，顯而易見，再沒有多余的空間來擴大射頻前端，何況要滿足單一SKU覆蓋全球LTE漫游所需的兩倍或三倍頻段擴展（見圖1）。
圖1 典型智能手機中有限的PCB空間
高通推出的Qualcomm RF360射頻前端解決方案，旨在解決這一問題以及其它相關問題。該解決方案有一個高度集成的射頻前端，基本整合了調制解調器和天線之間的所有基本組件，包括：集成天線開關的射頻功率放大器、無線電收發器、天線匹配調諧器和包絡功率追蹤器。這是一個“360度全方位”方案，能夠簡化和解決蜂窩射頻前端面臨的眾多復雜挑戰。首先，該方法能夠通過改進性能和尺寸來實現產品頻帶擴展和延伸，從而使產品具備最強的吸引力，并縮減單一SKU設計尺寸來實現顯著生產規模優勢的最大化。該前端解決方案于今年2月發布，OEM廠商采用該方案的產品預計將在2013年晚些時候推出。該前端從設計之初就是一個完整的系統級解決方案，可以與終端的調制解調器、收發器以及傳感器交互工作，實現全新的獨特性能提升。
射頻前端的設計方法
在廣泛的技術層面，在2G和3G網絡在全球的的覆蓋范圍不斷擴大的基礎上，前端設計主要用于解決伴隨4G LTE（FDD和TDD）擴展帶來的射頻頻段不統一問題，以及在不增加空間需求或影響性能的前提下滿足在單一終端或盡量少的SKU上支持所有相關頻段的需求。
在經濟層面，該前端設計旨在幫助蜂窩終端制造商擴大生產規模，并顯著降低成本。相比之前OEM廠商需要多達10個不同的設計才能滿足全球所需LTE頻段組合的需求，現在3個或甚至更少的設計就可以實現，而且無需改變電路板布局或增加電路板空間就可以處理這些設計的差異。
射頻頻段擴展，而不增加PCB空間
當今射頻面臨的核心挑戰是解決服務需求和網絡容量爆炸式增長所需的更多蜂窩頻段——目前全球頻段總數已達到40個。另外，OEM廠商需要同時推出多部手持終端以實現其產品投資的最大化回報，這進一步加劇了挑戰的復雜性。移動終端制造商不得不為每款終端推出多個版本，每個版本產量有限，使用的傳統射頻解決方案只能處理個別頻段，或者在單一終端中集成多個芯片組，以實現更大的覆蓋范圍。
高通的解決方案通過單一電路板級SKU 解決了射頻頻帶擴展的挑戰。該SKU模塊支持各種模式和頻段（從GSM之后的所有主要蜂窩制式和目前3GPP協議中包括的全部頻段）的組合，支持全球漫游，特別是4G LTE。在沒有單一射頻解決方案可以處理全球所有頻段的情況下，不采用強制方法組合大量離散零件怎么可能實現呢？這需要整合關鍵技術，將所有的關鍵技術都集成到美國高通公司的解決方案內，將其優化成為一個端對端系統。
包絡功率追蹤器
第一個關鍵技術是包絡功率追蹤器（ET），它根據信號的瞬態需求來調整功率放大器（PA）電源，。該技術是傳統平均功率追蹤器（APT）的升級，APT根據功率水平分組而不是瞬時信號需求來調整功率放大器的供電量。使用APT技術時，未使用的電量不僅浪費電池電力，而且還會產生余熱，這增加了對散熱空間的需求（見圖2a）。而借助包絡追蹤器，電量的提供取決于被傳輸信號內容的瞬時需要（見圖2b）。
圖2采用平均功率追蹤器（a）的功率損失與采用功率包絡追蹤器（b）的功率節省量對比。
包絡功率追蹤器與終端調制解調器交互工作，調整傳輸功率以滿足被傳輸內容的瞬時需求，而不是在恒定功率下的長時間間隔后調整。這是業內首個用于3G/4G LTE移動終端的調制解調器輔助包絡追蹤器，它將功耗降低最高達20％，發熱降低近30％（基于QTI的測試和分析）。這延長了電池續航時間，降低了智能手機超薄機身內部的發熱。
包絡追蹤器與調制解調器一起運行，檢測瞬時功率需求，并管理功率放大器。借助基于CMOS的功率放大器，集成水平可以大幅提高，進而衍生出完全集成的射頻前端系統級芯片這一想法。系統級芯片是指先進的3D封裝技術，現在已可用于射頻前端。
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業內首次使用的3D 射頻封裝或RF POP TM解決方案
高通前端解決方案的第二個關鍵技術是業內首次使用的3D 射頻封裝或RF POPTM解決方案，采用先進的3D封裝技術，單一封裝內集成了單芯片多模功率放大器和天線開關（AS），并將濾波器和雙工器集成到一個單一基底中，然后將基底置于基礎組件之上，整合成一個單一的“3D”芯片組組合，從而降低了整體的復雜性，摒棄了當今射頻前端模塊中常見的引線接合。集成功率放大器和天線開關的封裝作為基底層，管腳對所有頻段配置都一致，包含濾波器和雙工器的封裝針對全球和/或多地區頻段組合進行配置，置于PA/AS基底之上，就像在一個通用基底上定制的“頂”。這一組合厚一毫米，在電路板上所占的面積只有美國高通公司前代射頻前端解決方案的一半。重要的是，針對不同地區的定制終端無需更改電路板布局，因為基礎PA/ AS層可以保持不變（見圖3）。
圖3 射頻POP 3D設計CMOS前端。
相比之下，基于PCB模塊的傳統解決方案混合搭配不同技術，如基于GaAs和基于CMOS的組件，成為單一終端運行環境下的最佳解決方案。要適應更廣泛的環境則更為復雜，在某些情況下還會導致單一終端內存在多個并行解決方案。取決于設計的頻段組合，這些并行解決方案需要多個功率放大器、更多的獨立芯片以及相關的引線結合，這會帶來輻射干擾，增加了阻抗匹配需求，因而阻礙了技術集成。如果需要更多頻段，必須改變電路板（其中包括尺寸增加的可能性），并減少每一個獨特設計的數量（見圖4）。
圖4 并行的傳統射頻前端獨立設計。
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自適應天線調諧器
第三個關鍵技術是自適應天線調諧。更薄、更時尚的移動終端設計讓射頻問題變得更加嚴峻，即用戶的手掌和頭部與天線的實際距離變得更近，這使天線受到目標頻率的干擾；這是除了用戶手掌和/或頭部的物理障礙造成基站信號衰減外，另一個導致信號丟失的原因。基站需要向移動終端發送指令增加傳輸功率以補償丟失的信號。如果終端傳輸功率升高，那么電池的消耗也會加快。如果終端已經處于最大傳輸功率，那么通話就會受到影響，甚至導致掉話（見圖5）。
圖5 傳統射頻前端信號干擾導致功耗增加或掉話
圖6 美國高通公司RF360信號干擾啟動重新調諧
相比之下，美國高通公司的系統與終端的傳感器相配合，監測天線信號干擾和增益信號損失，此外，調制解調器還能指導天線匹配調諧器重新調諧到正確的頻率。這就避免了因補償越限頻率傳輸造成的功率增加，功率只需增加到能夠補償物理障礙產生的信號衰減即可（見圖6）。
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功率放大器性能
高通RF360解決方案采用全面系統設計打造全CMOS射頻前端。在過去，與基于模塊并采用GaAs/CMOS混合技術的解決方案相比，該前端被認為不足以滿足蜂窩功率的性能需求。然而，QTI的測試已經證明，在廣泛的傳輸功率水平上，僅使用當前一代支持包絡功率追蹤的CMOS集成方案與使用當下平均功率追蹤的常規功率放大器相比，傳輸功率性能（TX功率產生的功耗）不相上下（見圖7）。
圖7 功率放大器性能對比
圖8 TX功率使用形態
高通的支持包絡追蹤的解決方案與傳統的平均功率追蹤的解決方案相比，在不同功率水平上的差異很小。根據QTI在美國加州鄉村地區（2013年，連續監測7天，從早8點到晚8 點）以及洛杉磯市區（2011年，連續監測1天，從早6點至晚7點）的各個商用網絡上實地收集的數據，包絡追蹤器系統已在性能效率方面做了優化，在現實世界最常用的功率范圍內提供最佳的通話時間和數據傳輸（見圖8），而且即使超出了這些最常用的傳輸功率范圍，其性能也接近傳統的功率放大器。
當基于高/低頻段的實際功率使用分布來衡量功率性能時，使用美國高通公司RF360解決方案的功率放大器在總功耗上與鄉村地區的傳統功率放大器幾乎相同，比城市地區的傳統功率放大器還要略低一些（見圖9）。
圖9 基于使用的總功耗對比
圖10 采用天線調諧的TX功率使用分布轉移
值得注意的是，這些性能對比不包括使用高精度模擬電路進行優化功率放大器和ET操作帶來的提升，例如，通過增加多個可編程增益狀態。天線調諧增益也沒有計入比較。QTI測試表明，2 dB增益來自于天線調諧，它將TX電源使用曲線的頻率在使用形態分布內向“左”轉移–2 dB（見圖10）。
將這些轉移的TX功率使用頻率分布計入性能分析，能體現出總功耗的進一步提升。因此，即使沒有功率放大器優化和天線調諧增益，整體系統性能也能滿足當下的需求，且與現有的前端解決方案不分上下，而且PCB空間需求更小，射頻頻段可擴展性更大。
高通的前端解決方案是一個創新集合體：
- 首款采用集成天線開關的完全集成式單芯片多模、多頻段CMOS的功率放大器
- 首個堆棧式RF POP解決方案（3D封裝），縮小了射頻前端的空間，同時實現了通用電路板布局，并簡化RF頻段定制或擴展
- 首個支持LTE的CMOS功率放大器
- 首個采用包絡追蹤的CMOS功率放大器
- 首個動態重構LTE多模天線調諧器
- 總體來說，它是第一款包括調制解調器和天線之間一切元件的、完全集成并基于CMOS的射頻前端
該解決方案重點解決全球LTE頻帶擴展對移動終端的經濟規模生產，以及極其有限的PCB空間所帶來的直接挑戰。RF POP方案實現了一個通用全球電路板級設計，它具有簡化的射頻頻帶擴展或定制，可以幫助恢復終端的設計和生產規模。更小的射頻前端空間、散熱空間需求和尺寸，以及更長的電池壽命，成就了外形超薄、功能強大且高效的終端設計。此外，該解決方案現已開始出樣，旨在滿足實現LTE規模經濟和全球漫游的緊迫挑戰。
