未來手機RF前端設計解析

在過去十年中，手機經歷了巨大的變革。面世伊始僅供人們通話和收發短信的手機，現在已經轉變為多功能手持設備，融電話、Web瀏覽器、短信工具、照相機、游戲機、MP3播放器和很多實用功能于一體，能夠滿足人們的移動信息需求。

此外，當前的手機用戶不僅需要這些功能，而且還要求能夠隨時隨地使用這些功能。這種移動技術需要兼容多個頻段和多種調制標準。由于功能復雜，且消費者喜愛小巧機型，設計人員因此面臨強大壓力，必須以更低的物料清單(BOM)成本和創記錄的交付時間來提供產品，才能滿足市場對于產品不斷推陳出新的期望。

如此嚴格的要求促使設計人員改變了對RF前端的評估測試方式。本文將討論上述需求對于設計的影響，以及如何利用新方法來增強多功能手機的用戶體驗。

已涉足此行業數年的設計工程師可能還記得，幾年前，語音是決定產品性能的關鍵因素，最常使用的調制格式是GSM/GPRS，手機的外形較大，RF前端部分所占用的印刷電路板(PCB)面積也較多，性能是關注的焦點。

天線位于手機外部

天線位于手機外部(如圖1所示)，采用短截線天線或能夠拉出收回的滑動型天線，其效率遠優于當前手機中的天線。這類手機僅支持純語音呼叫，用戶要將手機拿至貼近頭部的位置。因此，天線的設計是在相對了解的環境中進行的，能夠實現設計的優化。

直至今天，這依然很重要，因為功率放大器(PA)對于通話時間影響很大，而這直接關系到使用某種型號或某個品牌手機時的用戶體驗。如果設計人員能夠優化手機在實際使用環境中的電流消耗，那么該產品在消費者市場中會占據更有力的競爭地位。天線及其實際性能間的一致性使得手機設計人員能夠通過天線與PA的阻抗匹配靈活地優化設計，以便盡可能高效地提供最高功率。

手機設計今非昔比

時光荏苒，手機市場發生了巨變。現在的關注焦點是應用處理器和組件，專注于軟件應用勝過提升用戶體驗。目前，手機外形更為小巧，但在很多情況下，為了實現這些獨特外形，不得不在一定程度上犧牲性能。現在的手機采用的是貼片天線或平面倒F天線(PIFA)(參見圖2)，多數情況下它們的效率低于過去的天線。

現在的手機采用的是貼片天線或平面倒F天線

不過，為了解決設計人員面臨的難題，一些手機轉而采用過去的短截線天線。這種性能與外形尺寸間的取舍，會直接影響電池壽命、通話時間和網絡可用性方面的用戶體驗，因為天線選擇及其使用環境會影響PA的工作。

例如，電壓駐波比(VSWR)就體現了這是如何影響PA的。當前的手機工作在三種基本配置下。一種是用戶按傳統方式將手機貼在頭部附近通話，或者置于頭部前方，使用揚聲器通話，還有一種情況是手機并沒有握在手里，而是與用戶有一定的距離。

天線的VSWR性能差別很大，這只是其中的三種主要場景，實際上，由于手指和手掌的位置不同，存在很多種使用狀況，但為簡單起見，本文僅討論以上三種情況。有關天線VSWR性能的差別請參見圖3。

天線的VSWR性能

圖3：手機中PIFA天線的VSWR性能

這些頻率響應說明了在當前新一代手機中，PA面臨的不同VSWR要求。對于這類手機，在頻段邊緣，PA對應的VSWR范圍為5:1到2:1。VSWR性能還會影響接收靈敏度。許多手機設計人員涌來評估RF前端的通常做法是，在50歐姆實驗室環境中測量性能。

實際上，這種方法對于今天的設計已不再適用，因為PA所面對的阻抗是不可預測的。設計人員要優化解決方案，以為終端用戶提供最佳通話時間，就必須著手在不同的VSWR條件下檢測RF前端。

諸如3GPP等標準委員會制定了空中測試(OTA)要求。一般來說，這些要求要比運營商的要寬松得多，因為后者需要更嚴格的OTA性能。運營商為其手機設置的典型值為傳導RF輸出功率-11dB。

根據GSM850標準，這相當于22dBmOTA要求，因為傳導輸出功率要求設置為33dBm，而天線效率和傳播效果隨頻率不同，會有-11dB的損耗。如果RF前端都按照這些要求進行評估和對比，這些OTA要求就能直接應用于50歐姆系統。

GSM功率控制架構對通話時間的影響

當前行業中GSM手機采用最廣泛的三種架構分別是電流控制、電壓控制和功率檢測。圖4、圖5和圖6分別給出了這三種架構的簡化框圖。

電流控制

圖4：電流控制模塊圖

圖4中的電流控制架構是一種間接控制的方案，它監控電流并使其保持恒定。這種方法將電流與功率相關聯，只要電流與功率之間的關系保持恒定(僅當負載電阻不變時)，就能非常出色地控制功率。控制功率的方法是：通過調整放大器的基級偏壓來控制增益，進而實現功率控制。

電流控制

圖5：電壓控制模塊圖

圖5為電壓控制示意圖，它與電流控制類似，也是一種間接控制方法，只是將電壓而非電流與功率相關聯。這種方法非常類似電流控制，只要負載電阻恒定且電壓和功率間的關系保持不變，就能工作良好。與電流控制相似，在電壓控制中，通過調節集電極電壓而非基級偏壓來控制功率。

功率檢測