2G/3G/4G终端对手机PA的不同需求

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近年来,手机用功率放大器PA市场随着智能型手机的兴起以及各种手持设备对大量数据传输的需求增多而变得更加红火,本文将探讨手机PA在2G/3G/4G终端市场中的演进趋势。

  在3G市场,WCDMA相关产品占有70%以上的份额,这些产品包括手机、数据上网卡、3G系统模块,以及各种各样配备3G通讯设备的产品如平板电脑、电子书等。2010年问市的最新一代WCDMA/HSPA手机PA的基本规格要求主要来自于手机芯片厂商高通的建议,每款单一频段的PA尺寸从原本的4mm×4mm大幅缩小至3mm×3mm,并且需将原来位于PA之外的定向耦合器与所需的匹配电路一起集成到3mm×3mm的功放内,以有效简化射频前端电路,大幅缩减所占的电路板面积。

  功率输出模式则从原来的提供两种输出功率,发展为支持数字化三重输出功率运作,同一颗PA必须在高、中、低三种功率输出时都具有优异的使用效率,通话时可在多个功率输出模式下自动切换,以获得最高的功率效率,有效延长电池使用寿命。不过,三重输出功率模式的切换较为复杂,会影响到手机系统EVM的连续性,这也是PA厂商与手机芯片厂商必须克服的问题。

  此外,新的PA要能在尺寸、脚位与功能上与其它PA厂商完全兼容。其内部通常带有稳压器的设计,因此无需任何外部参考电压。还需要优异的温度补偿设计,在极端的工作环境-40°C至+85°C下,仍然可以保持稳定的PA特性。同时还要求每款PA能与HSPA/HSPA+兼容。

  最通用的WCDMA/HSPA频段包括Band 11,920~1,980MHz、Band 21,850~1,910MHz、Band 5824~849MHz以及Band 8880~915MHz。单个独立的PA支持单一的WCDMA/HSPA频段仍是市场主流。整体来说,相对于2GGSM/GPRS/EDGE应用对PA的规格要求,3G/4G对于PA的线性度及功耗要求更高,因为大量数据的快速传输需要高线性度的支持。

  对于3G市场所需的CDMA2000/EV-DO手机用PA,其基本规格与最新一代WCDMA/HSPA手机用PA也日趋一致,朝着3mm×3mm微型封装、集成耦合器的方向发展。而在WCDMA与CDMA共存的手机平台上,同频段的WCDMA与CDMA的PA将可以共享。

  对于3G市场所需的TD-SCDMA/HSDPA手机PA,因使用频段1,880~1,920MHz以及2,010~2,025MHz与WCDMA Band-1频段相近,且基本规格要求也相仿,因而有些厂商会直接采用新一代的WCDMA Band-1手机PA。

  4G市场上,现有的手持LTE设备以数据上网卡为主,也有少量高端手机面市。无论是FDD-LTE还是TD-LTE所采用的PA,基本上其尺寸与规格要求都与WCDMA PA非常相似,差别仅在频段上。目前在售的LTE PA的引脚与功能完全兼容,对内置耦合器与三重输出功率运作的要求也一致。LTE的频段繁多,在TD-LTE方面,中国工信部已经正式批准了2,570MHz~2,620MHz之间总共50M的TD-LTE频率。此外,业界对采用2.3GHz频率的呼声也很大。而在FDD-LTE通用的频段上已陆续有手机PA面市,以适应欧美地区的LTE频段。如今的LTE装置大多需向下兼容WCDMA/HSPA以及GSM/EDGE。在LTE设备中,如果采用的某些LTE频段与WCDMA/HSPA频段一致,LTE与WCDMA/HSPA也可共享同一颗PA,让产品设计者可以更灵活地进行射频前端的组件布局和线路设计,并节省PA组件成本。

  GSM/EDGE四频PA模块也显示出演进的趋势。大部分3G/4G设备,尤其是智能型手机与数据上网卡等快速传输大量数据的应用设备需向下兼容GSM/EDGE。对GSM/EDGE PA模块的EDGE部分而言,与3G/4G功放相同,不仅需要特定水平的输出功率,还要求具备高线性度,以确保向基站发送信号的保真度。因此,GSM/EDGE四频PA功放模块的规格要求相比价格低廉的GSM/GPRS PA模块要复杂得多,也更难以实现。GSM/EDGE四频PA模块的市场仍然牢牢掌握在国外厂商手里。

  在GSM/EDGE市场上,高通等厂商过去采用的是极性PolarPA模块,其它手机芯片平台商则大多采用线性LinearPA模块。业界的最新趋势是向线性PA模块靠拢,尺寸也缩小到5mm×5mm,砷化镓仍然是主流。另一个新趋势是某些GSM/EDGE四频线性PA模块采用与3G PA相似的多重输出功率运作,而非传统Vramp调控,这样能为低频段850MHz/900MHz与高频段各提供3至4种功率模式,进一步提高效能并延长通话时间。

  随着手机与数据上网卡等通信产品朝着多模2G/3G/4G、多频的方向发展,射频前端所需的各种功放与双工器Duplexer会越来越多,天线开关模块Antenna Switch Module也逐步发展到SP9T、SP10T,甚至SP12T。SAW滤波器的用量可能会变少,因为手机芯片厂商纷纷强化其收发器的特性,标榜SAW-less手机平台,以减少Tx与Rx的SAW滤波器需求量。为简化射频前端电路并减小占板面积,以手机PA为核心,进一步集成各种射频前端模块也是一个明显趋势。

  目前较普遍的以PA为核心的射频前端模块RF FEM基本上有三种形式:一种是3G单个频段沿着信号收发路径的集成,如WCDMA/HSPA功放+双工器+SAW滤波器,一般尺寸为4mm×7mm;一种是3G数个常用频段的PA集成在单一封装中,如WCDMA/HSPA频段1与5的结合、2与5的结合以及1与8的结合,这些由两种频段PA合而为一的3G PA模块尺寸约为4mm×5mm;另一种则是2G PA模块GSM/GPRS或GSM/EDGE四频PA模块与天线开关的高度集成。

  手机PA在2G/3G/4G终端产品中非常重要,除了需求量大幅增加之外,还需满足严格的通信标准以传送信号,其耗电量在手机终端产品上也仅次于LCD屏幕,再加上在各式射频前端模块上扮演的核心角色,手机PA厂商需肩负起提升终端产品通信品质、降低产品功耗与简化射频前端的责任。

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