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重磅:克服全屏智能手机的射频前端设计挑战

万物云联网cloudioe2021-09-18 16:38:42

图0、智能手机进入全面屏时代

未来几代智能手机的目标是设计和构建具有吸引力的用户体验的下一代智能手机。 这些下一代设备必须能够兼具有吸引力的外形和提供高性能连接的能力。射频(RF)工程师面临的挑战是在不牺牲RF性能的情况下实现下一代智能手机的设计。 本文提供了克服这一挑战的方法,特别是在全屏智能手机的情况下的射频前端设计挑战。

智能手机制造商正在推出具有边缘到边缘显示屏和18:9宽高比屏幕的全新手机。外形尺寸因素是通过减少天线可用空间来实现的,但这会影响天线性能,可能会导致问题,包括更短的电池寿命,连接问题和更低的数据速率。整个射频前端的Tx和Rx路径需要提高性能,以补偿天线影响并保持总辐射功率和Rx接收灵敏度的要求。

天线空间受限的问题

制造商正在转向“全屏”设计,边缘到边缘的显示屏几乎占据整个手机面的智能手机。与此同时,媒体格式要求正在推动屏幕宽高比从16:9变为18:9。


这些更改减少了可用于天线的空间,天线必须位于屏幕占用的区域之外。天线面积缩小高达50%,屏幕顶部和底部的边框从高度7-8毫米减少到3-4毫米(图1a)。由于长宽比变化,手机也变得越来越窄(图1b),因此天线必须更短。

图1a,b。

图1a,b。全屏设计缩小了天线可用的边框区域。由于转换为18:9宽高比,手机也变得更窄。

更少天线的更多天线

这个问题越来越严重,智能手机中天线的典型数量从2-4增加到4-6,甚至可能会更多,而天线可用空间在缩小(如所示图2)。但是手机需要更多的天线,以使用多种方式来提供更高的数据速率,包括多频带载波聚合(CA,carrier aggregation ),4x4 LTE MIMO,Wi-Fi MIMO以及增加新的5G频段。另外,随着600 MHz频段的增加,频谱范围在不断扩大,高频段的频率在3GHz以上即将投入使用。

图2.手机需要在更小的空间内容纳更多的天线


图2.全屏幕是更大问题的一部分:手机需要在更小的空间内容纳更多的天线

天线性能影响

天线面积和长度的减小都会影响天线的性能。减小天线面积会大大降低天线效率(如图3a所示)。天线的带宽也会随之降低,这使得特定频段的效率优化变得更加困难(图3b)。天线的影响可以显著降低Tx和Rx的性能,导致电池寿命缩短,连接不良,工作范围缩小以及数据速率降低等问题。

图3a,b。

图3a,b。减少天线面积会影响天线效率和带宽。

克服挑战

由于全屏设计,较低的天线效率和带宽直接影响关键的发射和接收RF性能指标,如:总辐射功率(TRP,Total Radiated Power)和接收(Rx)灵敏度。补偿这些影响需要在射频前端(RFFE,RF front end)内的整个Tx和Rx通道中提高性能。


集成模块是实现这些性能改进的关键,同时还可以在分配给射频前端(RFFE,RF front end)的有限空间内继续添加新的RF功能。将各个组件集成到模块中可减少由板上匹配引起的信号损失。集成还有助于制造商简化和加速手机的设计和开发。简化的设计和改进的性能降低了不能满足产品发布目标日期和违反运营商性能规定等的风险。


下面我们回顾一下工程师可以用来解决全屏幕挑战的关键设计方法。


增加总辐射功率(TRP, Total Radiated Power )


为了增加TRP,有必要最大化Tx路径中关键组件的性能(如图4所示)。这些包括功率放大器(PA),滤波器和天线调谐器。

图4. RF通路中影响TRP的组件模块

图4. RF通路中影响TRP的组件模块。


先进的功率放大器增加输出的线性功率和效率

提高PA输出功率是提供更高总辐射功率(TRP, Total Radiated Power )的关键第一步。面临的挑战是增加功率放大器的输出功率,同时保持线性,最大限度地减少电流消耗并避免散热问题。

随着业界采用新的Power Class 2(High Performance User Equipment,高性能用户设备)标准,提高功率输出变得更加重要。功率等级2规范将天线处的输出功率翻倍至26 dBm,以克服高频频率下更大的电波传播损耗。移动运营商开始使用Power Class 2来增加41频段的覆盖范围。

需要先进的制造工艺和封装技术才能实现功率放大器的更高功率输出,线性度,效率和散热性能等设计目标。 Qorvo采用专有的HBT5 GaAs工艺,提供业界领先的线性功率输出和功率附加效率(PAE,power added efficiency)。与早期的工艺相比,HBT5还提供了显著提高的平均寿命改进,这允许在更高的电流密度下工作以增加功率放大器的增益和功率效率。先进的封装加强了散热性能,使用铜柱可有效地散发较输出高功率水平下所产生的热量。

Qorvo的Gen-5 RF Flex的射频前端模块产品组合集成了功率放大器,低损耗开关和其他核心器件组件,有助于在全屏设计中提高LTE模式下的功率输出。 RF Flex Gen-5 QM56022多频段功率放大器模块中包括高,中,低频功率放大器以及后置功率放大器开关,可将LTE功率输出增加1dB以上,有助于满足运营商对功率等级2(Power Class 2); RF Flex Gen-5 QM57508发射模块具有2G PA,低损耗开关和天线耦合器,在2G模式下可提供0.5到1dB更多的输出功率。

改进的电源管理


电源管理组件可与兼容功率放大器配合使用,以最大限度地提高功率输出,同时最大限度地降低电流消耗,包括QM56022在内的Qorvo功率放大器与包络跟踪(ET,envelope tracking)解决方案兼容,该解决方案通过连续调整功率放大器电源电压以跟踪射频发射信号的包络来优化效率。对于平均功率跟踪(APT,average power tracking)应用,另一种方法是使用升压组件(voltage boost component),如Qorvo QM81050:当需要更高的输出功率时,例如当用户距离移动网络基站较远时,可以通过增加PA的电源电压来增加PA的输出功率。


滤波器


每年,工程师越来越依赖射频滤波器来管理干扰,今天的手机支持多达40个频段以及其他无线技术,如Wi-Fi和蓝牙。低损耗滤波器(包括双工器(duplexers)和多路复用器(multiplexers))对于降低PA后端的损耗至关重要,以帮助实现更高总辐射功率(TRP, Total Radiated Power )的设计目标。除了提供低插入损耗之外,滤波器还必须能够承受住PA在全屏设计中所产生的更高功率。 Qorvo BAW固态谐振器(SMR,solidly mounted resonator)滤波器针对高功率应用(包括功率等级2)进行设计和验证。BAW SMR滤波器通过固体反射器堆叠来有效地实现散热,提供更低的热阻和更短的热时间常数。

BAW滤波器在高于1.5 GHz的频率上提供最大的优势,并被用于许多更高频率的LTE频段。这使它们非常适合用于5G的新型高频段和超高频段的频谱应用中。

天线调谐器(Antenna Tuners )

天线调谐对全屏设计产生巨大影响,好的天线调谐方案有助于提高电池寿命和数据速率。天线调谐通常能将TRP提高3 dB。这可以显著提高手机电池的使用寿命,因为系统需要较少的电流来在天线处产生所需的功率。

随着天线数量的不断增加和可用空间的减少,天线调谐变得更加重要。智能手机可能使用多天线的天线调谐解决方案。天线调谐器在低频段具有最大的优势,因为低频段传输受到全屏设计中减小的天线面积的影响最大,因此需求最大。

智能手机可以利用两种方法进行天线调谐。孔径调谐(Aperture tuning)(图5)对于优化多频段天线效率以及补偿环境影响(如用户的手位置)尤为重要。阻抗调谐(Impedance tuning)通过降低由于阻抗不匹配而在天线反射的功率来增加TRP。 Qorvo是移动天线调谐解决方案的行业领导者,拥有多种基于低损耗开关的孔径(aperture)和阻抗(impedance)调谐产品,可提供卓越的导通电阻(Ron, on-resistance)和关断电容(Coff,off-capacitance)性能。


图5.阻抗和孔径调谐

图5.阻抗和孔径调谐(Impedance and aperture tuning)。

提高Rx灵敏度

诸如天线调谐解决方案,低损耗滤波器和双工器以及低噪声放大器(LNA)等高性能RFFE(射频前端)组件对于提高全屏设计中的Rx灵敏度同样重要。它们一起可以将Rx灵敏度提高几个dB,通过增加操作范围和数据速率来补偿缩小的天线尺寸所带来的不利音箱,并改善用户体验。

天线共享

展望未来,天线共享正逐渐成为满足全屏手机天线数量日益增加的重要手段。 天线共享使得单个天线可用于多种用途,从而减少了手机系统增加天线的需求,并有助于避免性能下降。 需要创新的射频前端(RFFE,RF front end)解决方案来实现天线共享,并在射频前端(RFFE,RF front end)的复杂性不断增加时保持天线数量在可控范围内。

总结

高性能射频前端(RFFE,RF front end)解决方案对于弥补由于过渡到全屏手机和18:9屏幕长宽比所造成的天线影响至关重要。 整个Tx和Rx通道都需要提高性能,以保持TRP和Rx灵敏度,同时最大限度地降低功耗。包括高功率PA,低损耗滤波器和天线调谐器在内的相关的射频前端(RFFE,RF front end)解决方案组合,可以帮助克服挑战。

图6、5G需要整合各种技术

信息来源:cloudioe

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