RF360全新移动射频前端解决方案剖析

ByGrith4

智能手机内部的印刷电路板（PCB）区域已成为移动终端第二大最珍贵且竞争最激烈的领域，仅次于无线电频谱。具有讽刺意味的是，本来为缓解带宽稀缺问题而出现的新增无线电频段的扩展，却恰恰加剧了智能手机内PCB空间的压力。更多的频段需要更多独立的射频（RF）前端元件，如功率放大器、多频带开关、双工器、滤波器以及匹配元件等。加上对更大屏幕、四核应用处理器、无线连接、电池和附加元件的需求，全部这些都要被封装在超薄外壳内，显而易见，再没有多余的空间来扩大射频前端，何况要满足单一SKU覆盖全球LTE漫游所需的两倍或三倍频段扩展（见图1）。
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图1 典型智能手机中有限的PCB空间
! P6 Q% L. s7 _美国高通技术公司（QTI）推出的Qualcomm®RF360射频前端解决方案，旨在解决这一问题以及其它相关问题。该解决方案有一个高度集成的射频前端，基本整合了调制解调器和天线之间的所有基本组件，包括：集成天线开关的射频功率放大器、无线电收发器、天线匹配调谐器和包络功率追踪器。这是一个“360度全方位”方案，能够简化和解决蜂窝射频前端面临的众多复杂挑战。首先，该方法能够通过改进性能和尺寸来实现产品频带扩展和延伸，从而使产品具备最强的吸引力，并缩减单一SKU设计尺寸来实现显著生产规模优势的最大化。该前端解决方案于今年2月发布，OEM厂商采用该方案的产品预计将在2013年晚些时候推出。该前端从设计之初就是一个完整的系统级解决方案，可以与终端的调制解调器、收发器以及传感器交互工作，实现全新的独特性能提升。
设计方法
在广泛的技术层面，在2G和3G网络在全球的的覆盖范围不断扩大的基础上，前端设计主要用于解决伴随4G LTE（FDD和TDD）扩展带来的射频频段不统一问题，以及在不增加空间需求或影响性能的前提下满足在单一终端或尽量少的SKU上支持所有相关频段的需求。
在经济层面，该前端设计旨在帮助蜂窝终端制造商扩大生产规模，并显著降低成本。相比之前OEM厂商需要多达10个不同的设计才能满足全球所需LTE频段组合的需求，现在3个或甚至更少的设计就可以实现，而且无需改变电路板布局或增加电路板空间就可以处理这些设计的差异。
射频频段扩展，而不增加PCB空间
当今射频面临的核心挑战是解决服务需求和网络容量爆炸式增长所需的更多蜂窝频段——目前全球频段总数已达到40个。另外，OEM厂商需要同时推出多部手持终端以实现其产品投资的最大化回报，这进一步加剧了挑战的复杂性。移动终端制造商不得不为每款终端推出多个版本，每个版本产量有限，使用的传统射频解决方案只能处理个别频段，或者在单一终端中集成多个芯片组，以实现更大的覆盖范围。
4 M, H7 c& P$ S" y0 t美国高通公司的解决方案通过单一电路板级SKU 解决了射频频带扩展的挑战。该SKU模块支持各种模式和频段（从GSM之后的所有主要蜂窝制式和目前3GPP协议中包括的全部频段）的组合，支持全球漫游，特别是4G LTE。在没有单一射频解决方案可以处理全球所有频段的情况下，不采用强制方法组合大量离散零件怎么可能实现呢？这需要整合关键技术，将所有的关键技术都集成到美国高通公司的解决方案内，将其优化成为一个端对端系统。
) K/ @; E9 T9 a7 w: t包络功率追踪器
第一个关键技术是包络功率追踪器（ET），它根据信号的瞬态需求来调整功率放大器（PA）电源，。该技术是传统平均功率追踪器（APT）的升级，APT根据功率水平分组而不是瞬时信号需求来调整功率放大器的供电量。使用APT技术时，未使用的电量不仅浪费电池电力，而且还会产生余热，这增加了对散热空间的需求（见图2a）。而借助包络追踪器，电量的提供取决于被传输信号内容的瞬时需要（见图2b）。
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7 X" ], z7 g, \图2 采用平均功率追踪器（a）的功率损失与采用功率包络追踪器（b）的功率节省量对比
包络功率追踪器与终端调制解调器交互工作，调整传输功率以满足被传输内容的瞬时需求，而不是在恒定功率下的长时间间隔后调整。这是业内首个用于3G/4G LTE移动终端的调制解调器辅助包络追踪器，它将功耗降低最高达20％，发热降低近30％（基于QTI的测试和分析）。这延长了电池续航时间，降低了智能手机超薄机身内部的发热。
5 u& }! V8 u" l& c( z& O包络追踪器与调制解调器一起运行，检测瞬时功率需求，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，进而衍生出完全集成的射频前端系统级芯片这一想法。系统级芯片是指先进的3D封装技术，现在已可用于射频前端。
RF POP
美国高通公司前端解决方案的第二个关键技术是业内首次使用的3D 射频封装或RF POPTM解决方案，采用先进的3D封装技术，单一封装内集成了单芯片多模功率放大器和天线开关（AS），并将滤波器和双工器集成到一个单一基底中，然后将基底置于基础组件之上，整合成一个单一的“3D”芯片组组合，从而降低了整体的复杂性，摒弃了当今射频前端模块中常见的引线接合。集成功率放大器和天线开关的封装作为基底层，管脚对所有频段配置都一致，包含滤波器和双工器的封装针对全球和/或多地区频段组合进行配置，置于PA/AS基底之上，就像在一个通用基底上定制的“顶”。这一组合厚一毫米，在电路板上所占的面积只有美国高通公司前代射频前端解决方案的一半。重要的是，针对不同地区的定制终端无需更改电路板布局，因为基础PA/ AS层可以保持不变（见图3）。
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" F  ^$ ~0 p+ E$ p: @/ v图3 射频POP 3D设计CMOS前端
这种设计基于可支持700MHz到2.7GHz的全球LTE频段以及传统2G/3G频段的架构，降低了“顶”部简化版本所需的本地RF频段定制。借助RF POP方案，两三个PCB设计现在就可以实现此前的数十个或更多设计才能达到的全球支持，因为多频段配置可以使用相同的电路板布局。这为推动LTE生产规模效益创造了可能性，效果正如四频之于GSM以及五频之于3G 。
相比之下，基于PCB模块的传统解决方案混合搭配不同技术，如基于GaAs和基于CMOS的组件，成为单一终端运行环境下的最佳解决方案。要适应更广泛的环境则更为复杂，在某些情况下还会导致单一终端内存在多个并行解决方案。取决于设计的频段组合，这些并行解决方案需要多个功率放大器、更多的独立芯片以及相关的引线结合，这会带来辐射干扰，增加了阻抗匹配需求，因而阻碍了技术集成。如果需要更多频段，必须改变电路板（其中包括尺寸增加的可能性），并减少每一个独特设计的数量（见图4）。

图4 并行的传统射频前端独立设计
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Racheler

当今射频面临的核心挑战是解决服务需求和网络容量爆炸式增长所需的更多蜂窝频段