下一代手機(jī)設(shè)計(jì)的RF架構(gòu)選擇

摘要

智能手機(jī)市場已經(jīng)趨于多樣化，被劃分為多個(gè)類別，具有不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)和重點(diǎn)，這就需要不同的 RF 前端 (RFFE) 集成方法。旗艦手機(jī)是專為超級區(qū)域或全球范圍使用而設(shè)計(jì)的高端設(shè)備。它們需要高度集成的 RFFE 架構(gòu)，例如 Qorvo 的 RF Fusion?，該架構(gòu)集成了所有主要的發(fā)射和接收功能，包括支持所有主要的頻段和全球載波聚合部署。該方法最大限度地提升了性能、節(jié)省了空間，并幫助制造商僅僅在單一設(shè)計(jì)上采用一些變體 (SKU) 就能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。

相比之下，中端區(qū)域性手機(jī)對 RFFE 的要求則大不相同。為最大限度地降低手機(jī)成本，制造商設(shè)法只添加特定區(qū)域頻段所需的 RF 元件，但是，他們需要快速調(diào)整手機(jī)設(shè)計(jì)以滿足不同區(qū)域和客戶的需求。這就需要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性的 RFFE 架構(gòu)，例如 Qorvo 的 RF Flex?。RF Flex 集成一部手機(jī)在多個(gè)區(qū)域環(huán)境中常用的核心 RF 元件，如功率放大器和開關(guān);然后制造商只需要添加適當(dāng)?shù)臑V波器，即可迅速生產(chǎn)用于特定區(qū)域和運(yùn)營商的機(jī)型。

載波聚合的挑戰(zhàn)

如今，先進(jìn)的封裝技術(shù)支持將多個(gè) RFFE 元件整合到集成模塊中，幫助智能手機(jī)制造商加速新手機(jī)的設(shè)計(jì)和制造。然而，并非所有的智能手機(jī)都有相同的 RFFE 集成需求;智能手機(jī)市場已經(jīng)趨于多樣化，被分成多個(gè)類別，具有不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)和重點(diǎn)。這就產(chǎn)生了下列問題：RFFE 集成的正確水平是怎樣的?對每個(gè)智能手機(jī)類別來說，最好的集成方法是什么?

如今，兩個(gè)主要的智能手機(jī)類別分別是專為超級區(qū)域或全球范圍使用而設(shè)計(jì)的旗艦手機(jī)，以及為區(qū)域范圍使用而設(shè)計(jì)的中端和入門級手機(jī)。這兩個(gè)類別有著明顯不同的設(shè)計(jì)重點(diǎn)、價(jià)位和開發(fā)時(shí)間表。

旗艦手機(jī)設(shè)計(jì)高端、性能優(yōu)越，通常在全球范圍推出和上市，零售價(jià)不低于 500 美元。雖然旗艦手機(jī)數(shù)量相對較少，但是它們卻占了全球手機(jī)銷售額的很大比重，且數(shù)量還在不斷增長。

旗艦手機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是僅僅在單一設(shè)計(jì)上采用一些變體 (SKU) 就能支持在全球范圍使用。每個(gè) SKU 都包含大量 RF 內(nèi)容以支持多個(gè)網(wǎng)絡(luò)和國際使用，通常支持 6 種模式和 15 個(gè)以上的 LTE 頻段。為了提供最快的數(shù)據(jù)速率，如今的旗艦手機(jī)還搭載 6 類以上的調(diào)制解調(diào)器，并支持下行和上行載波聚合 (CA)。

對于旗艦手機(jī)的制造商來說，限制 SKU 數(shù)量提供了關(guān)鍵的優(yōu)勢，可以降低生產(chǎn)和庫存管理的復(fù)雜度。旗艦手機(jī)的產(chǎn)品周期相對較長，其 RF 設(shè)計(jì)要求通常固定為產(chǎn)品發(fā)布前的 12 至 18 個(gè)月。

相比之下，中端和入門級區(qū)域性手機(jī)則專為區(qū)域使用而設(shè)計(jì)，具備一些漫游功能。這類手機(jī)的型號和制造商都很多，手機(jī)零售價(jià)格低于 500 美元。這個(gè)競爭激烈的細(xì)分市場占據(jù)了全球銷量的最大比重，且隨著對價(jià)格敏感的消費(fèi)者從 2G 和 3G 手機(jī)過渡到 4G LTE 手機(jī)，其增長速度比其他細(xì)分市場更快，特別是像中國這樣的市場。

由于中端手機(jī)是專為區(qū)域使用而設(shè)計(jì)的，為最大限度地降低手機(jī)成本，制造商設(shè)法只添加特定區(qū)域頻段所需的 RF 元件。一部典型的中端手機(jī)支持 5 種模式和 5-8 個(gè) LTE 頻段，并搭載一個(gè) 4 類以上的調(diào)制解調(diào)器;一些機(jī)型提供有限的載波聚合支持，主要為下行載波聚合。

瞬息萬變的市場需求意味著產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間非常短，需要高度的設(shè)計(jì)靈活性，尤其在中國更是如此。例如，一些手機(jī)是專為滿足單一移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的需求而設(shè)計(jì)的。運(yùn)營商可能會(huì)在手機(jī)預(yù)定發(fā)布日期前的 2 至 6 個(gè)月才選定一個(gè)合約制造商。由于手機(jī)制造商事先并不知曉他們的客戶會(huì)是誰，因此他們必須能夠快速地調(diào)整手機(jī)設(shè)計(jì)來適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域。

有些制造商專注于國內(nèi)銷售，而有些制造商正在努力拓展海外市場。那些設(shè)法增加出口的制造商開始在他們的中端手機(jī)中加入更多的 LTE 頻段來減少針對新市場開發(fā)機(jī)型所需的工程設(shè)計(jì)工作。

在本白皮書中，我們將討論這兩大智能手機(jī)類別 – 旗艦手機(jī)和中端手機(jī) – 的不同 RFFE 集成要求并提供適用于每個(gè)類別的 RFFE 架構(gòu)示例。

旗艦手機(jī)的 RFFE 集成

旗艦手機(jī)需要且應(yīng)該具有非常高的 RFFE 集成度。為吸引消費(fèi)者關(guān)注這些高端設(shè)備，制造商設(shè)法將最高級的功能和性能塞入精美的超薄手機(jī)中。RFFE 必須集成大量的頻段來支持超級區(qū)域或全球范圍的使用，同時(shí)采用多個(gè)上行和下行載波聚合組合以提高性能。另一個(gè)驅(qū)動(dòng) RFFE 集成的因素是 RFFE 在手機(jī)里可用的空間有限，因?yàn)橹圃焐淘O(shè)法最大限度地增加分配給電池的空間并加入多個(gè)天線以提高性能。

由于旗艦手機(jī)的 RF 需求通?？芍辽偬崆耙荒甏_定，因此 RFFE 設(shè)計(jì)人員可以專注于將最多的功能集成到前端模塊中，而無需太擔(dān)心需求會(huì)在模塊設(shè)計(jì)周期發(fā)生改變。

專為旗艦手機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè) RFFE 架構(gòu)示例是 Qorvo 的 RF Fusion，它將所有主要的發(fā)射和接收功能(包括對主要頻段的支持)都集成到三個(gè)緊湊模塊中，實(shí)現(xiàn)高、中、低頻段頻譜區(qū)域全覆蓋。該架構(gòu)設(shè)計(jì)還支持載波聚合在全球市場的快速部署。每個(gè)模塊都集成了功率放大器 (PA)、開關(guān)和濾波器。通過采用先進(jìn)的晶圓級封裝，RF Fusion 比分立元件節(jié)省了大約 30-35% 的空間。

圖 1.Qorvo RF Fusion QM78064 高頻段模塊

圖 1 所示為 RF Fusion QM78064 高頻段模塊，它同時(shí)支持 FDD-LTE(帶有集成頻段 7 雙工器)和 TDD-LTE(頻段 40 和 41)，并搭載一個(gè)支持 20 MHz + 20 MHz 上行載波聚合的寬帶 B41 LowDrift? BAW 濾波器。該模塊還配備一個(gè)天線開關(guān)并支持包絡(luò)跟蹤 (ET) 和平均功率跟蹤 (APT)，以盡可能減少能源消耗。

這種將功能劃分到高、中、低頻段模塊中的 RFFE 集成方法具有幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢。

如圖 2 所示，每條通道上實(shí)現(xiàn)元件集成，無需對元件進(jìn)行板載匹配，從而提升了性能。這將發(fā)射和接收的匹配損耗降低多達(dá) 0.5 dB，進(jìn)而降低電流消耗和熱負(fù)荷。這種布局還在功率放大器的帶寬范圍內(nèi)集成相應(yīng)頻段的濾波器，確保了每個(gè)功率放大器能得到最高效的利用。每個(gè)模塊的改進(jìn)性能使制造商更容易實(shí)現(xiàn)手機(jī)的整體性能目標(biāo)。

RF Fusion 架構(gòu)也為載波聚合提供了明顯的優(yōu)勢。這一點(diǎn)對旗艦手機(jī)來說尤為重要，因?yàn)橹圃焐陶诳焖偬砑虞d波聚合支持。一些組合了寬間隔頻段(例如低頻段和高頻段)的聚合存在諧波干擾的風(fēng)險(xiǎn)。低頻段諧波進(jìn)入高頻段的接收頻率，可能會(huì)使接收器靈敏度下降。將這些頻段拆分到不同的模塊，可增加它們之間的物理隔離，從而減少諧波干擾的可能性。該架構(gòu)還有助于支持窄間隔頻段的聚合和帶內(nèi)載波聚合，因?yàn)橹С痔囟ň酆系亩嗦窂?fù)用器可以集成到每個(gè)模塊中(例如，RF Fusion QM78013 中頻段模塊搭載一個(gè)支持 B1+B3 載波聚合的四工器)。

RF Fusion 的高度集成有助于制造商簡化和加速手機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)。制造商可從單一來源集成三個(gè)模塊，而無需挑選、匹配、集成 30 個(gè)或更多的分立元件。這就提高了制造產(chǎn)量并降低了元件失效的風(fēng)險(xiǎn)。簡化的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的性能降低了錯(cuò)失產(chǎn)品預(yù)定發(fā)布日期和不符合運(yùn)營商標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)。

針對區(qū)域性中端手機(jī)的 RFFE 設(shè)計(jì)靈活性

與全球性高端手機(jī)相比，區(qū)域性中端手機(jī)有著明顯不同的 RFFE 要求。由于手機(jī)價(jià)格在這個(gè)競爭激烈的細(xì)分市場中尤為關(guān)鍵，制造商通常設(shè)法只添加每個(gè)目標(biāo)區(qū)域或運(yùn)營商需要的 RF 元件。設(shè)計(jì)靈活性至關(guān)重要，因?yàn)橹圃焐瘫仨毮軌蚩焖僬{(diào)整手機(jī)以適應(yīng)不同的區(qū)域;他們通常只有幾個(gè)月的時(shí)間來開發(fā)手機(jī)和符合運(yùn)營商標(biāo)準(zhǔn)，甚至在該期間內(nèi)，具體需求還可能會(huì)出現(xiàn)改變。

為了以最低的成本快速開發(fā)手機(jī)型號，制造商需要盡可能減少對 RFFE 架構(gòu)工程設(shè)計(jì)的投入精力，以便能夠通過添加每個(gè)區(qū)域或運(yùn)營商所需的特定頻段來快速調(diào)整手機(jī)設(shè)計(jì)。通常，制造商希望僅使用一個(gè)印刷電路板 (PCB) 布局，通過添加不同的 RF 元件即可生產(chǎn)多個(gè) SKU。

為滿足這些中端手機(jī)的需求，需要采用一種不同于旗艦手機(jī)的 RFFE 集成方法。Qorvo 的 RF Flex 就是這種方法的一個(gè)例子，它提供了廣泛的模塊組合，旨在為中端智能手機(jī)制造商提供靈活性，以快速地生產(chǎn)出不同的機(jī)型。

每個(gè) RF Flex 模塊都集成了核心 RF 元件，通用于手機(jī)的多個(gè)區(qū)域性變體。如今，這些元件通常是功率放大器 (PA) 和開關(guān)。制造商只需添加特定運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域所需的濾波器，即可快速地生產(chǎn)區(qū)域性手機(jī)變體。

RF Flex 為制造商提供設(shè)計(jì)靈活性，使他們能夠通過僅采用所需 RF 組件來最大程度降低手機(jī)成本。同時(shí)，這種方法也在有意義的地方應(yīng)用集成，實(shí)現(xiàn)了諸多好處，例如節(jié)省空間和簡化設(shè)計(jì)等。

RF Flex 架構(gòu)還具有可擴(kuò)展性，對于尋求全球擴(kuò)展功能的制造商尤為寶貴;他們可以設(shè)計(jì)一款用于國內(nèi)的機(jī)型，并可迅速添加更多濾波器，從而支持其他國家/地區(qū)所使用的頻段。

場景 1 制造商設(shè)計(jì)了一款采用 RF5422 多頻段 PA 模塊和 RF5228 高級發(fā)送模塊的中端手機(jī)。RF5422 提供所有必要的 3G 和 4G PA 功能;RF5228 為所有頻段提供 2G 支持和天線開關(guān)功能。針對中國市場，制造商添加了濾波器以支持 1、3、8、34、39、40 和 41 頻段。通過簡單添加頻段 7 和 20 的濾波器，即可針對歐洲的使用來對相同設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)展。制造商可以在兩個(gè)區(qū)域使用相同的 PCB 設(shè)計(jì)，并根據(jù)需要在 PCB 中添加濾波器。

場景 2 RF5422 最多支持 5 個(gè)低頻頻段，足以滿足許多中端手機(jī)的需要。當(dāng)制造商需要支持其他低頻頻段時(shí)，就可以轉(zhuǎn)而使用 RF5427，這是一款低頻和極低頻段的模塊，最多支持 7 個(gè)頻段。RF5427 結(jié)合 RF5426 中頻和高頻模塊使用，可提供全頻段覆蓋范圍。結(jié)合使用時(shí)，這兩個(gè)模塊還可提供額外的隔離功能，協(xié)助高頻段和低頻段的載波聚合組合功能。

圖 3.通過具體場景說明 RF Flex 架構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。

結(jié)論

為滿足旗艦手機(jī)和中端手機(jī)的不同要求，需要使用不同的 RFFE 集成方法。高度集成模塊(如 Qorvo 的 RF Fusion 產(chǎn)品)最大限度地為面向全球市場的旗艦手機(jī)提升了性能、節(jié)省了空間。核心 RF 功能的針對性集成(如 Qorvo 的 RF Flex 模塊)實(shí)現(xiàn)了中端手機(jī)的設(shè)計(jì)靈活性，使制造商能夠快速調(diào)整手機(jī)以適應(yīng)不同運(yùn)營商和區(qū)域的需求。

中端手機(jī)和旗艦手機(jī)的 RF 內(nèi)容將隨著更多頻段和載波聚合組合的部署而逐漸增加。中端手機(jī)和旗艦手機(jī)的 RF 模塊都將相應(yīng)地變得越來越集成化，同時(shí)保留每個(gè)類別所要求的顯著特征。