手机RF前端设计挑战及应对策略

　　在过去十年中，手机经历了巨大的变革。面世伊始仅供人们通话和收发短信的手机，现在已经转变为多功能手持设备，融电话、Web浏览器、短信工具、照相机、游戏机、MP3播放器和很多实用功能于一体，能够满足人们的移动信息需求。此外，当前的手机用户不仅需要这些功能，而且还要求能够随时随地使用这些功能。这种移动技术需要兼容多个频段和多种调制标准。由于功能复杂，且消费者喜爱小巧机型，设计人员因此面临强大压力，必须以更低的物料清单（BOM）成本和创记录的交付时间来提供产品，才能满足市场对于产品不断推陈出新的期望。如此严格的要求促使设计人员改变了对RF前端的评估测试方式。本文讲讨论上述需求对于设计的影响，以及如何利用新方法来增强多功能手机的用户体验。

　　已涉足此行业数年的设计工程师可能还记得，几年前，语音是决定产品性能的关键因素，较常使用的调制格式是GSM/GPRS，手机的外形较大，RF前端部分所占用的印刷电路板（PCB）面积也较多，性能是关注的焦点。天线位于手机外部（如图1所示），采用短截线天线或能够拉出收回的滑动型天线，其效率远优于当前手机中的天线。这类手机仅支持纯语音呼叫，用户要将手机拿至贴近头部的位置。因此，天线的设计是在相对了解的环境中进行的，能够实现设计的优化。直至今天，这依然很重要，因为功率放大器（PA）对于通话时间影响很大，而这直接关系到使用某种型号或某个品牌手机时的用户体验。如果设计人员能够优化手机在实际使用环境中的电流消耗，那么该产品在消费者市场中会占据更有力的竞争地位。天线及其实际性能间的一致性使得手机设计人员能够通过天线与PA的阻抗匹配灵活地优化设计，以便尽可能高效地提供较高功率。

　　手机设计今非昔比

　　时光荏苒，手机市场发生了巨变。现在的关注焦点是应用处理器和组件，专注于软件应用胜过提升用户体验。目前，手机外形更为小巧，但在很多情况下，为了实现这些独特外形，不得不在一定程度上牺牲性能。现在的手机采用的是贴片天线或平面倒F天线（PIFA）（参见图2），多数情况下它们的效率低于过去的天线。不过，为了解决设计人员面临的难题，一些手机转而采用过去的短截线天线。这种性能与外形尺寸间的取舍，会直接影响电池寿命、通话时间和网络可用性方面的用户体验，因为天线选择及其使用环境会影响PA的工作。

　　例如，电压驻波比（VSWR）就体现了这是如何影响PA的。当前的手机工作在三种基本配置下。一种是用户按传统方式将手机贴在头部附近通话，或者置于头部前方，使用扬声器通话，还有一种情况是手机并没有握在手里，而是与用户有一定的距离。天线的VSWR性能差别很大，这只是其中的三种主要场景，实际上，由于手指和手掌的位置不同，存在很多种使用状况，但为简单起见，本文仅讨论以上三种情况。有关天线VSWR性能的差别请参见图3。

　　图3：手机中PIFA天线的VSWR性能。

　　这些频率响应说明了在当前新一代手机中，PA面临的不同VSWR要求。对于这类手机，在频段边缘，PA对应的VSWR范围为5:1到2:1。VSWR性能还会影响接收灵敏度。许多手机设计人员涌来评估RF前端的通常做法是，在50欧姆实验室环境中测量性能。实际上，这种方法对于今天的设计已不再适用，因为PA所面对的阻抗是不可预测的。设计人员要优化解决方案，以为终端用户提供较佳通话时间，就必须着手在不同的VSWR条件下检测RF前端。

　　诸如3GPP等标准委员会制定了空中测试（OTA）要求。一般来说，这些要求要比运营商的要宽松得多，因为后者需要更严格的OTA性能。运营商为其手机设置的典型值为传导RF输出功率-11dB。根据GSM 850标准，这相当于22dBm OTA要求，因为传导输出功率要求设置为33dBm，而天线效率和传播效果随频率不同，会有-11dB的损耗。如果RF前端都按照这些要求进行评估和对比，这些OTA要求就能直接应用于50欧姆系统。

　　GSM功率控制架构对通话时间的影响

　　当前行业中GSM手机采用较广泛的三种架构分别是电流控制、电压控制和功率检测。图4、图5和图6分别给出了这三种架构的简化框图。

　　图4：电流控制模块图。

　　图4中的电流控制架构是一种间接控制的方案，它监控电流并使其保持恒定。这种方法将电流与功率相关联，只要电流与功率之间的关系保持恒定（仅当负载电阻不变时），就能非常出色地控制功率。控制功率的方法是：通过调整放大器的基级偏压来控制增益，进而实现功率控制。图5为电压控制示意图，它与电流控制类似，也是一种间接控制方法，只是将电压而非电流与功率相关联。这种方法非常类似电流控制，只要负载电阻恒定且电压和功率间的关系保持不变，就能工作良好。与电流控制相似，在电压控制中，通过调节集电极电压而非基级偏压来控制功率。本文中介绍的较后一个架构是功率检测（如图6所示）。这种方法将一部分信号耦合回检波器，检波器通过比较输出电压和参考电压来检测功率。这种功率控制方法的准确性也很高，失配主要取决于耦合器的方向和反馈回路中的误差。该架构的缺点是，增加了耦合器的输出损耗和组件成本，因为它需要更多电路来实现功率控制功能。

　　图5：电压控制模块图。

　　图6：功率检测模块图。

　　在非常简短地回顾了基本功率控制架构后，下面重点介绍器件的评估测试，采用的是能够反映实际性能，并直接影响通话时间、电池寿命和呼叫接收效果等用户满意度指标的方式。首先，为了解实际环境，必须描述天线性能（如图3所示）。正像前面所述，VSWR的变化范围在2:1到5:1之间，具体取决于终端用户和手机的位置。综合这些考量因素，用于对比的基准定为3:1 VSWR。选择该值的原因是因为它能很好地体现实际环境中的性能，而不会有不切实际的功率反射回PA，从而导致比较结果有误差。为正确描述这些产品，必须进行负载牵引测试，用这种方法设计人员可以精确控制失配、相角和输出功率精确度。该方法如图7所示。

　　图7：负载牵引的设置。

　　通过图8和图9可以看出，即使采用不同架构实现了功率控制功能，在实际环境中的性能还是有可能出现很大差异。这意味着什么？为什么很重要？首先，如前所述，OTA性能是真正的关键，它与输出功率直接相关。如图9所示，在这三种维持到负载的恒定输出功率的方法中，电流控制是表现较差的一种。在GSM 850频段，电流控制和功率检测方法有大概1.5dB的差异。功率检测机制的缺陷在于允许电流增加，而其它解决方案中的电流维持在合理值。尽管这种情况下看起来通话时间会较长，但实际环境中并非如此。

　　例如，如果手机工作在29dBm（这是GSM系统中较常见的功率值），基站实际上会要求手机将功率值从29dBm提高到31dBm，因为输出功率无法满足当前功率控制电平（PCL）。这反过来会增加电流消耗，较终缩短通话时间。另一个需考虑的则是电流消耗所取得的优势。在手机中，如果电流控制机制在这些情况下提供了足够输出功率，能够满足运营商的OTA要求，则无须担心进入VSWR的功率。由于出色地降低了输出功率，因此提供一种VSWR性能较好的解决方案就能够大幅节省电流消耗。在查看图10时，请考虑以下问题：如果所有解决方案交付的功率均相同，那么它们会对终端用户有何影响？

　　对于电压控制和功率检测方法而言，可将50欧姆校准设置为降低1dB，但仍满足相同的输出功率要求。ETSI传导规范指定，对于PCL 5，正常情况下的功率为33dBm±2dB。这意味着为达到传导性能，针对PCL 5，手机必须至少输出31dBm。考虑到留出余量的需求，较安全的校准值应为31.5dBm。如果需要更大的余量，则设计人员可将手机调相至50欧姆环境中为32dBm，从而大幅节约电流。图11中详细介绍了与50欧姆环境下性能的关联问题。