智能手机，现在已经成为了人们日常生活中的一部分，似乎离开了手机，生活已经不能正常运行了。没有了手机，现代人可能都不知道如何度过这一整天。据统计，人们一天使用手机的时间已经接近4个小时，我们可以粗略算算，去除睡觉的8到10小时，一天24小时竟然有大约四分之一的时间在用手机！这或许也是智能手机迅速发展起来的一个非常重要的因素。
短短10年，手机已经从主要用于通话和发短信的工具演变为高度复杂的精密设备，并 在生活中的各个方面占据了核心位置。它改变了通信方式，让人们能通过上传和下载现场视 频来实时分享体验。它为我们提供导航，几乎淘汰了纸质地图。它已经成为物联网(IoT)设 备的通用控制器，从家用恒温器到酒店客房门锁无所不包。它还能让企业创建全新的云端业务模式。像优步这样的拼车软件正是依靠无处不在的移动设备，让用户找到自动指向其目的地的行程并支付费用。
所有这些应用都需要高速、高度可靠的数据连接，这对每个人的日常生活来说至关重要。移动数据的需求持续快速增长：2016年11月发布的《爱立信移动研究报告》预测，全球智能手机用户将从2015年的33亿上升至2022年的68亿，在此期间，每部智能手机使用的数据流量预计将上升近8倍，达到每月11GB。虚拟现实和实时视频等趋势需要利用高性能网络来提供低延迟和更高数据速率。
为了应对移动数据的增长，连续几代网络——2G、3G、4G(LTE)以及未来的5G——已经通过各种方法逐步增加网络容量和数据速率。 方法之一就是分配更多的频段。目前设计用于 全球应用的旗舰版LTE智能手机可支持30多个频段，而在2010年，支持的频段还不到10个。这一趋势还在继续，监管机构将分配3.5GHz及更高频率的频段，并对现有频谱进行重新分配，如之前用于电视广播的600MHz频段。频道带宽已经从2G时代的200kHz增加到4G的20MHz，如果在LTE-Advanced设备中使用载波聚合(CA)，还能达到更高带宽 (图1)。此外还将结合在给定带宽下提供更高数据速率和容量的技术，如MIMO、更复杂的调制和网络密集化，包括小型蜂窝的使用。
图1：通过载波聚合来提高下行链路数据速率
如今，主要趋势包括网络运营商正在部署的LTE-Advanced及后续LTE-Advanced Pro(在3GPP版本13及后续版本中定义)。这些LTE增强网络可确保4G继续占有一席之地，甚至在5G开始部署后仍发挥作用。LTE将与5G并行实施，为大量应用提供足够的性能。LTE- Advanced推出了CA，可聚合最多5个RF载波的带宽，称为分量载波(CC)。LTE-Advanced支持最高1Gbps的最大网络数据速率，LTE-Advanced Pro将把潜在的CC数量增加至32个，最高可支持3Gbps。随着LTE-Advanced Pro推出许可辅助访问(LAA)，Wi-Fi变得越来越重要，LAA使用CA合并LTE许可频谱与5GHz Wi-Fi免许可频谱，从而实现更高的数据速率。
智能手机的趋势和挑战
智能手机数据性能要求持续提高，同时RF前端复杂性增加，给从事智能手机设计的工程师带来了一系列新挑战。目前的要求对设计带来的挑战包括实现最大线性度和隔离、管理功 耗和天线调谐。由于必须将越来越多的频段压缩到分配给RF前端的有限空间内，集成度要求更高。另一个重要趋势就是智能手机市场分级的兴起，每个分级都有不同的RF要求。本文将解释每个分级，讨论智能手机如何演变以应对5G时代。
隔离
在RF前端容纳更多LTE频段的需求对在不同频段之间、每个频分双工(FDD) LTE频段的发 送和接收频率之间、LTE和其它无线服务(如 Wi-Fi和公共安全通信)之间实现必要的隔离带来挑战。要实现所需的隔离，需要高性能滤波器。体声波(BAW)滤波器提供比表面声波(SAW)滤波器更高的性能(更高Q因子)，特别是在较高频率下，通常用于最严苛的应用。
隔离挑战随CA而增加，因为RF前端必须与多个频段实时通信。这给频段间的交叉隔离提出新的要求，需要避免一个聚合频段的发射信号与另一个聚合频段的接收信号发生干扰，这会降低接收器的敏感度。各种问题层出不穷。聚合稀疏频段时，RF链中的非线性元件 (包括功率放大器(PA)、开关甚至还有滤波器)会在发射频率的倍数产生谐波频率，可能造成问题。对于一些频段组合，如频段17和4(见表1)，较低频段(17)的三次谐波进入较高频段(4)的接 收频率范围，如图2所示。为防止干扰，RF前端的滤波器必须提供非常强大的问题谐波抑制功能，且不会增加不可接受的插入损耗。所有元件都需要有高线性度PA、开关、滤波器，以尽可能减少谐波生成。
图2：使用载波聚合时，频段17上行链路 信号的三次谐波可能干扰频段4中的接收信号
聚合密集频段时，这些频段通常共享RF前端内的相同RF路径，会出现不同的交叉隔离问题。示例包括频段1和3以及频段25和66。在这些情况下，问题在于一个频段的发射频率接近另一个聚合频段的接收频率。多工器可以将多个聚合频段的所有发射和接收滤波器合并到一个设备中，提供有效的解决方案，允许同时使用聚合频段，并提供频段间隔离。由于智能手机可用空间和天线数量的限制，当网络运营商聚合三个或多个频段时(图3)，多工器将变得越来越重要。
电源管理
几种趋势都需要更出色的电源管理，以尽可能延长智能手机电池寿命并避免温度过高。通过上行链路CA等技术实现的更大传输带宽需要更多功耗。此外，在单个带宽内合并分量载波的带内上行链路CA涉及比标准LTE信号更高的峰值-均值功率比，因而提高了PA线性度 要求。例如，CA可将上行链路带宽加倍至20+20MHz(200个资源块)，使调制信号包络的峰值-均值功率比超过4.5dB的可能性至少翻倍。
另一个新兴要求是2级功率，该新标准将输出功率加倍至26dBm，可补偿高频段的更大传输损耗(如频段41)。 更大输出功率可以让运营商在使用更高频段时保持蜂窝覆盖范围，以增加频谱并支持更高数据速率。在更高功率中，热性能变得很关键；设备的可靠性取决于能否通过有效散发额外的热量让设备保持可接受的工作温度。
包络跟踪(ET)通过持续调整PA电源电压来跟踪RF包络并尽可能提高PA效率，可减少功耗和散热，其正在从旗舰手机扩展至主流应用。ET提供的更高效率有助于推广宽带PA，尽可能减少手机所需的PA。然而，ET的使用局限于20至40MHz频道，并且需要处理更宽的应用 带宽，如带内上行链路CA。
天线
由于需要支持更快数据服务和更广泛的RF频率和技术，智能手机中的天线数量也随之增加。如今的手机可能包含6根或7根天线，包括主蜂窝和分集接收 (DRx)、Wi-Fi、近场通信(NFC)及其它标准。在一般手机的有限物理空间内安装更多天线成为越来越难的工程挑 战。而MIMO需要在多根天线上同步传输，使情况更严峻。通过在使用相似频率(如蓝牙和Wi-Fi)的多个服务中分享相同天线，可以最大程度减少需要增加的天线数量。天线共享还可用于支持更快的Wi-Fi性能，通过在LTE和第二条Wi-Fi RF链之间分享LTE DRx天线，可启用2×2 MIMO Wi-Fi。
天线调谐可通过调整天线阻抗来优化特定频率下的效率，此方法越来越常用，以支持不断扩大的LTE频率范围。
图3：随着网络运营商通过聚合频段来提高数据速率，多工器变得越来越重要
RF集成
尽管智能手机变得越来越大，这主要源于用户对更大屏幕的偏好，但分配至RF前端的空间却并未增加。目前的旗舰手机中，通常只有10%至15%的内部区域专属于蜂窝、Wi-Fi和蓝牙RF功能。智能手机变得越来越薄，减少了内部体积，而制造商需要利用有限的空间添加新功能并实现最大电池尺寸，以响应用户对更长工作时间的需求。结果是，RF前端必须包容越来越复杂的功能，包括支持越来越多的频段，而可用空间却几乎不变。要应对日益复杂的RF，更高的RF前端集成水平是关键，在支持大量频段和CA组合的旗舰手机中尤其如此。 除了节省空间，集成式RF前端模块还可简化智能手机的设计，因为许多RF挑战可在模块内解决，而不需要智能手机制造商来设计解决方案。这样智能手机制造商就能关注智能手机设计的其它方面，在竞争日趋激烈的市场中吸引消费者。通过简化设计，高度集成的模块还能帮助智能手机制造商缩短上市时间。此外，由于可能发生故障的元件减少， 智能手机的制造良品率得到了提升。
图4：为了处理所有主要蜂窝频率，智能手机在覆盖低频段(a)、中频段(b)和高频段(c)的三个前端模块中集成了PA、开关和滤波器
高度集成RF前端架构的一个示例是Qorvo的RF Fusion，利用三个紧凑位置支持所有主要LTE频段：低频段、中频段和高频段(图4)。每个模块都包含PA、开关和滤波器，并使用高级封装，相比分立式元件所需的印刷电路板 (PCB)面积，可节约30%至35%的空间。除了节省宝贵的PCB空间，这种方案还有几个优势：可通过在每条通道上集成元件来提高性能，无需板载匹配， 损耗降低0.5dB之多，功耗和热负载减少 (图5)。通过减少损耗有助于满足手机制造商的性能目标。该集成架构还可帮助管理RF隔离，如CA聚合频段间的相互作用。例如，支持具体频段合并的多工器可以合并到每个模块中。未来，可能将整个RF前端集成到单个模块中，这需要权衡制造商获得的优势与包含多余频段带来的额外成本，而这些频段手机所有者可能不会使用。
图5：相对于板载匹配(b)，集成式前端模块(a)最多可减少 0.5dB的损耗
智能手机分级
随着智能手机在世界范围内持续激增，市场已经划分为不同等级：提供最高性能和支持全球频段的旗舰手机和提供良好性能并且主要设计用于国内使用、仅支持区域频段的中级手机。在消费者对价格比较敏感的亚洲和拉丁美洲等新兴市场，中级手机比较普遍。据Strategy Analytics统计，智能手机分级已被广泛接受。该公司预测，到2022年，中级手机将占手机营收总额的37%，2016年这一数据只有32%。然而，由于售价更高，高级手机将继续占据全球智能手机营收的主要份额。
这种市场分级可以从RF前端趋势中反映出来。高度集成的RF前端模块通常只出现在高级手机中；中级手机通常使用更分立的方案，如Qorvo的RF Flex，手机制造商能够通过仅集成当地频段所需的滤波器来灵活地降低元件成本。随着RF环境变得越来越复杂，中级手机中也有望用到更高水平的RF前端集成。市场分级还带来了许多其它趋势，如支持双SIM卡的中级手机。这让用户能够在前往其它国家和地区时使用不同的语音和数据服务，或者使用当地运营商的服务，尽可能减少每月花费。双SIM卡需要双收发器或使用时分复用技术的单个收发器。
未来的RF前端
今后几年，智能手机RF前端将继续演变并复杂化，以满足不断变化的需求。除了支持5G，智能手机还会充当快速激增的物联网设备和传感器的通信中心的角色，这需要在RF前端集成新的无线接口。
5G规范的开发目前主要关注三个高级用例，包括物联网：
增强型移动宽带，支持消费者使用视频和其它数据密集型 移动应用，这些应用需要低延迟和更快的数据速率;
物联网应用的大规模机器类型通信;
超可靠、低延迟通信，适合重视可靠性和性能的应用，如自动驾驶车辆。
5G规范预计包含两个主要阶段：阶段1(3GPP版本15)，预计到2018年底，将支持一小部分用例，包括增强型移动宽带，主要集中于6GHz以下的频率。目前，3.8和4.99GHz之间的频段尚在研究。由于4G LTE继续得到广泛应用，一个重要目标是，通过设计5G新型无线电(NR)，尽可能减小对4G频段的干扰，尽可能提高共存性。大体上，5G阶段1所需的RF前端技术可能类似于用于4G LTE的技术，经过改进可支持新的要求。
阶段1的主要挑战包括PA性能和增加的线性度，以支持用于提高数据密集型应用性能的新上行链路要求。其中包含更复杂的调制(如256-QAM)和可选的循环前缀正交频分多工 (CP-OFDM)。采用4×4 MIMO进一步提升数据吞吐量需要更高的集成度和更复杂的开关，而且将增加天线数量。体声波滤波器技术广泛应用于较高频率LTE频段，目前正在开发增强版以满足5G时代6GHz以下频率的滤波要求。
5G阶段2(3GPP版本16)预计到2019年底将包括剩余用例，集中于更高频率(28GHz和更高频率)。尽管这些规范目前只发展到阶段1的早期，但很明显，毫米波频率的通信将需要全新的天线阵列架构、波束赋形技术和精密算法，以弥补这些频率下的较大路径损耗。毫米波频率和4G LTE的共存将带来其它挑战。
业界正在摸索可调谐模拟滤波器，以减少RF前端的滤波器数量。但是，创建宽带可调谐模拟滤波器，满足现代智能手机的功率处理、插入损耗、隔离和共存需求，是极具挑战性的。CA的采用需要多个频段上的同时操作，其复杂性将使宽带可调谐滤波器更难以实现。
CMOS、SOI和SiGe等硅技术将继续扩展至用于控制、开关和放大的RF前端。尽管如此，GaAs仍可为PA带来性能优势，并且有可能保留主流PA处理技术。数字信号处理越来越普 及，可通过数字预失真(DPD)和ET等功能提升前端性能。
总结
越来越复杂的RF前端和不断提升的性能需要在高度集成的模块中混合许多不同的技术。随着智能手机步入下一个十年，供应商必须拥有广泛的设计能力，包括高级滤波和毫米波技术，才能获得成功。
关于作者
Todd Gillenwater
Qorvo公司移动产品CTO兼工程部副总裁
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发表于 2017-6-12 13:35:37
发表于 2017-6-13 10:56:39
