下一代手機設(shè)計的RF架構(gòu)選擇

摘要

智能手機市場已經(jīng)趨于多樣化，被劃分為多個類別，具有不同的設(shè)計目標(biāo)和重點，這就需要不同的 RF 前端 (RFFE) 集成方法。旗艦手機是專為超級區(qū)域或全球范圍使用而設(shè)計的高端設(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)計上采用一些變體 (SKU) 就能實現(xiàn)全球覆蓋。

相比之下，中端區(qū)域性手機對 RFFE 的要求則大不相同。為最大限度地降低手機成本，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)整手機設(shè)計以滿足不同區(qū)域和客戶的需求。這就需要能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計靈活性的 RFFE 架構(gòu)，例如 Qorvo 的 RF Flex?。RF Flex 集成一部手機在多個區(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)域和運營商的機型。

載波聚合的挑戰(zhàn)

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

如今，兩個主要的智能手機類別分別是專為超級區(qū)域或全球范圍使用而設(shè)計的旗艦手機，以及為區(qū)域范圍使用而設(shè)計的中端和入門級手機。這兩個類別有著明顯不同的設(shè)計重點、價位和開發(fā)時間表。

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

旗艦手機的設(shè)計目標(biāo)是僅僅在單一設(shè)計上采用一些變體 (SKU) 就能支持在全球范圍使用。每個 SKU 都包含大量 RF 內(nèi)容以支持多個網(wǎng)絡(luò)和國際使用，通常支持 6 種模式和 15 個以上的 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。旗艦手機的產(chǎn)品周期相對較長，其 RF 設(shè)計要求通常固定為產(chǎn)品發(fā)布前的 12 至 18 個月。

相比之下，中端和入門級區(qū)域性手機則專為區(qū)域使用而設(shè)計，具備一些漫游功能。這類手機的型號和制造商都很多，手機零售價格低于 500 美元。這個競爭激烈的細分市場占據(jù)了全球銷量的最大比重，且隨著對價格敏感的消費者從 2G 和 3G 手機過渡到 4G LTE 手機，其增長速度比其他細分市場更快，特別是像中國這樣的市場。

由于中端手機是專為區(qū)域使用而設(shè)計的，為最大限度地降低手機成本，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支持 5 種模式和 5-8 個 LTE 頻段，并搭載一個 4 類以上的調(diào)制解調(diào)器;一些機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)時間非常短，需要高度的設(shè)計靈活性，尤其在中國更是如此。例如，一些手機是專為滿足單一移動網(wǎng)絡(luò)運營商的需求而設(shè)計的。運營商可能會在手機預(yù)定發(fā)布日期前的 2 至 6 個月才選定一個合約制造商。由于手機制造商事先并不知曉他們的客戶會是誰，因此他們必須能夠快速地調(diào)整手機設(shè)計來適應(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中加入更多的 LTE 頻段來減少針對新市場開發(fā)機型所需的工程設(shè)計工作。

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

旗艦手機的 RFFE 集成

旗艦手機需要且應(yīng)該具有非常高的 RFFE 集成度。為吸引消費者關(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，同時采用多個上行和下行載波聚合組合以提高性能。另一個驅(qū)動 RFFE 集成的因素是 RFFE 在手機里可用的空間有限，因為制造商設(shè)法最大限度地增加分配給電池的空間并加入多個天線以提高性能。

由于旗艦手機的 RF 需求通?？芍辽偬崆耙荒甏_定，因此 RFFE 設(shè)計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)心需求會在模塊設(shè)計周期發(fā)生改變。

專為旗艦手機設(shè)計的一個 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)都集成到三個緊湊模塊中，實現(xiàn)高、中、低頻段頻譜區(qū)域全覆蓋。該架構(gòu)設(shè)計還支持載波聚合在全球市場的快速部署。每個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 集成方法具有幾個關(guān)鍵的優(yōu)勢。

如圖 2 所示，每條通道上實現(xiàn)元件集成，無需對元件進行板載匹配，從而提升了性能。這將發(fā)射和接收的匹配損耗降低多達 0.5 dB，進而降低電流消耗和熱負荷。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，確保了每個功率放大器能得到最高效的利用。每個模塊的改進性能使制造商更容易實現(xiàn)手機的整體性能目標(biāo)。

RF Fusion 架構(gòu)也為載波聚合提供了明顯的優(yōu)勢。這一點對旗艦手機來說尤為重要，因為制造商正在快速添加載波聚合支持。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。低頻段諧波進入高頻段的接收頻率，可能會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，因為支持特定聚合的多路復(fù)用器可以集成到每個模塊中(例如，RF Fusion QM78013 中頻段模塊搭載一個支持 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設(shè)計和開發(fā)。制造商可從單一來源集成三個模塊，而無需挑選、匹配、集成 30 個或更多的分立元件。這就提高了制造產(chǎn)量并降低了元件失效的風(fēng)險。簡化的設(shè)計和改進的性能降低了錯失產(chǎn)品預(yù)定發(fā)布日期和不符合運營商標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險。

針對區(qū)域性中端手機的 RFFE 設(shè)計靈活性

與全球性高端手機相比，區(qū)域性中端手機有著明顯不同的 RFFE 要求。由于手機價格在這個競爭激烈的細分市場中尤為關(guān)鍵，制造商通常設(shè)法只添加每個目標(biāo)區(qū)域或運營商需要的 RF 元件。設(shè)計靈活性至關(guān)重要，因為制造商必須能夠快速調(diào)整手機以適應(yīng)不同的區(qū)域;他們通常只有幾個月的時間來開發(fā)手機和符合運營商標(biāo)準(zhǔn)，甚至在該期間內(nèi)，具體需求還可能會出現(xiàn)改變。

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

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

每個 RF Flex 模塊都集成了核心 RF 元件，通用于手機的多個區(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)域性手機變體。

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

RF Flex 架構(gòu)還具有可擴展性，對于尋求全球擴展功能的制造商尤為寶貴;他們可以設(shè)計一款用于國內(nèi)的機型，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。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)計進行擴展。制造商可以在兩個區(qū)域使用相同的 PCB 設(shè)計，并根據(jù)需要在 PCB 中添加濾波器。

場景 2 RF5422 最多支持 5 個低頻頻段，足以滿足許多中端手機的需要。當(dāng)制造商需要支持其他低頻頻段時，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，這兩個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)如何實現(xiàn)設(shè)計靈活性。

結(jié)論

為滿足旗艦手機和中端手機的不同要求，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)實現(xiàn)了中端手機的設(shè)計靈活性，使制造商能夠快速調(diào)整手機以適應(yīng)不同運營商和區(qū)域的需求。

中端手機和旗艦手機的 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。中端手機和旗艦手機的 RF 模塊都將相應(yīng)地變得越來越集成化，同時保留每個類別所要求的顯著特征。