未來手機RF前端設計解析

圖6：功率檢測模塊圖

本文中介紹的最后一個架構是功率檢測(如圖6所示)。這種方法將一部分信號耦合回檢波器，檢波器通過比較輸出電壓和參考電壓來檢測功率。這種功率控制方法的準確性也很高，失配主要取決于耦合器的方向和反饋回路中的誤差。該架構的缺點是，增加了耦合器的輸出損耗和組件成本，因為它需要更多電路來實現功率控制功能。

在非常簡短地回顧了基本功率控制架構后，下面重點介紹器件的評估測試，采用的是能夠反映實際性能，并直接影響通話時間、電池壽命和呼叫接收效果等用戶滿意度指標的方式。首先，為了解實際環境，必須描述天線性能(如圖3所示)。

正像前面所述，VSWR的變化范圍在2:1到5:1之間，具體取決于終端用戶和手機的位置。綜合這些考量因素，用于對比的基準定為3:1VSWR。選擇該值的原因是因為它能很好地體現實際環境中的性能，而不會有不切實際的功率反射回PA，從而導致比較結果有誤差。為正確描述這些產品，必須進行負載牽引測試，用這種方法設計人員可以精確控制失配、相角和輸出功率精確度。該方法如圖7所示。

負牽引的設置

圖7：負載牽引的設置

通過圖8和圖9可以看出，即使采用不同架構實現了功率控制功能，在實際環境中的性能還是有可能出現很大差異。這意味著什么?為什么很重要?首先，如前所述，OTA性能是真正的關鍵，它與輸出功率直接相關。

如圖9所示，在這三種維持到負載的恒定輸出功率的方法中，電流控制是表現最差的一種。在GSM850頻段，電流控制和功率檢測方法有大概1.5dB的差異。功率檢測機制的缺陷在于允許電流增加，而其它解決方案中的電流維持在合理值。盡管這種情況下看起來通話時間會較長，但實際環境中并非如此。

例如，如果手機工作在29dBm(這是GSM系統中最常見的功率值)，基站實際上會要求手機將功率值從29dBm提高到31dBm，因為輸出功率無法滿足當前功率控制電平(PCL)。這反過來會增加電流消耗，最終縮短通話時間。另一個需考慮的則是電流消耗所取得的優勢。

在手機中，如果電流控制機制在這些情況下提供了足夠輸出功率，能夠滿足運營商的OTA要求，則無須擔心進入VSWR的功率。由于出色地降低了輸出功率，因此提供一種VSWR性能較好的解決方案就能夠大幅節省電流消耗。在查看圖10時，請考慮以下問題：如果所有解決方案交付的功率均相同，那么它們會對終端用戶有何影響?

對于電壓控制和功率檢測方法而言，可將50歐姆校準設置為降低1dB，但仍滿足相同的輸出功率要求。ETSI傳導規范指定，對于PCL5，正常情況下的功率為33dBm±2dB。這意味著為達到傳導性能，針對PCL5，手機必須至少輸出31dBm。考慮到留出余量的需求，最安全的校準值應為31.5dBm。如果需要更大的余量，則設計人員可將手機調相至50歐姆環境中為32dBm，從而大幅節約電流。圖11中詳細介紹了與50歐姆環境下性能的關聯問題。

與50歐姆環境下性能的關聯問題

在圖11中，對這三個解決方案的電流與輸出功率進行了的對比。這證明了如果設計人員要實現相同的輸出功率以滿足OTA需求，那么電流控制方案中的輸出功率就需要調整為33dBm，功率檢測方案的輸出功率與之相比要小1dB。最終的結果是在滿功率工作時，50歐姆環境下可節省180mA電流，從而延長電池壽命和通話時間。

在節省電流的同時，并未犧牲任何實際輸出功率OTA性能。降低調相目標的另一優勢是，降低了吸收率(SAR)，且減少了諧波的生成，因為在滿功率1dB回退點，諧波能量要低很多。這減輕了輻射問題，并能加快產品面市速度。

如果設計人員對該方法不感興趣，而希望提高輸出功率，那么可通過使用VSWR容差性能更優的器件來實現。但提高輸出功率后，每個設計人員都面臨著多時隙GPRS情形下輻射能量無法達到SAR要求的可能性。而設計更優的、VSWR容差性能良好的器件通過限制低阻抗狀態下的輸出功率，使手機工作在較高功率水平時仍能滿足SAR要求(參見圖12)。

優化OTA性能

圖12說明，如果手機設計人員希望優化OTA性能，那么電壓控制和功率檢測解決方案與電流控制解決方案相比，其調相目標要高出0.5到0.75dB。從統計角度看，較高的調相目標會降低SAR性能。但由圖12我們可以看到，這三種解決方案的峰值功率擺幅是相同的，而50歐姆環境下設定的功率要高于電流控制方案的功率。這使得設計人員能夠開發出在運營商要求的OTA性能方面比競爭對手更為優秀的產品。

最后需要考慮的是發射(TX)和接收(RX)性能間的平衡，以及是否能根據不同地區定制性能。從圖3，即手機天線VSWR性能示意圖中可以看出，如果需要的話，可以通過調諧來為提高RX性能而降低TX性能。圖中的紫色軌跡表示手機放在頭部附近的傳統通話方式，在提高頻率時，GSM850TX和RX性能會略有降低，而GSM900RXVSWR則會有所改善。如果TX通路VSWR容差性能良好，設計人員就能根據其具體設計中的側重點，靈活地權衡參數。

總之，失配情況下評估方案的重要性必須得到重視。這為設計人員打開了新思路，他們能以前所未有的方式進行系統級性能權衡。如果只是根據50歐姆實驗室測試來檢測解決方案，可能會導致無法正確選擇合適的設計架構。