智能手機內部的印刷電路板（PCB）區域已成為移動(dòng)終端第二大最珍貴且競爭最激烈的領(lǐng)域，僅次于無(wú)線(xiàn)電頻譜。具有諷刺意味的是，本來(lái)為緩解帶寬稀缺問(wèn)題而出現的新增無(wú)線(xiàn)電頻段的擴展，卻恰恰加劇了智能手機內PCB空間的壓力。更多的頻段需要更多獨立的射頻（RF）前端元件，如功率放大器、多頻帶開(kāi)關(guān)、雙工器、濾波器以及匹配元件等。加上對更大屏幕、四核應用處理器、無(wú)線(xiàn)連接、電池和附加元件的需求，全部這些都要被封裝在超薄外殼內，顯而易見(jiàn)，再沒(méi)有多余的空間來(lái)擴大射頻前端，何況要滿(mǎn)足單一SKU覆蓋全球LTE漫游所需的兩倍或三倍頻段擴展（見(jiàn)圖1）。


高通推出的Qualcomm RF360射頻前端解決方案，旨在解決這一問(wèn)題以及其它相關(guān)問(wèn)題。該解決方案有一個(gè)高度集成的射頻前端，基本整合了調制解調器和天線(xiàn)之間的所有基本組件，包括：集成天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的射頻功率放大器、無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、天線(xiàn)匹配調諧器和包絡(luò )功率追蹤器。這是一個(gè)“360度全方位”方案，能夠簡(jiǎn)化和解決蜂窩射頻前端面臨的眾多復雜挑戰。首先，該方法能夠通過(guò)改進(jìn)性能和尺寸來(lái)實(shí)現產(chǎn)品頻帶擴展和延伸，從而使產(chǎn)品具備最強的吸引力，并縮減單一SKU設計尺寸來(lái)實(shí)現顯著(zhù)生產(chǎn)規模優(yōu)勢的最大化。該前端解決方案于今年2月發(fā)布，OEM廠(chǎng)商采用該方案的產(chǎn)品預計將在2013年晚些時(shí)候推出。該前端從設計之初就是一個(gè)完整的系統級解決方案，可以與終端的調制解調器、收發(fā)器以及傳感器交互工作，實(shí)現全新的獨特性能提升。

射頻前端的設計方法

在廣泛的技術(shù)層面，在2G和3G網(wǎng)絡(luò )在全球的的覆蓋范圍不斷擴大的基礎上，前端設計主要用于解決伴隨4G LTE（FDD和TDD）擴展帶來(lái)的射頻頻段不統一問(wèn)題，以及在不增加空間需求或影響性能的前提下滿(mǎn)足在單一終端或盡量少的SKU上支持所有相關(guān)頻段的需求。

在經(jīng)濟層面，該前端設計旨在幫助蜂窩終端制造商擴大生產(chǎn)規模，并顯著(zhù)降低成本。相比之前OEM廠(chǎng)商需要多達10個(gè)不同的設計才能滿(mǎn)足全球所需LTE頻段組合的需求，現在3個(gè)或甚至更少的設計就可以實(shí)現，而且無(wú)需改變電路板布局或增加電路板空間就可以處理這些設計的差異。

射頻頻段擴展，而不增加PCB空間

當今射頻面臨的核心挑戰是解決服務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò )容量爆炸式增長(cháng)所需的更多蜂窩頻段——目前全球頻段總數已達到40個(gè)。另外，OEM廠(chǎng)商需要同時(shí)推出多部手持終端以實(shí)現其產(chǎn)品投資的最大化回報，這進(jìn)一步加劇了挑戰的復雜性。移動(dòng)終端制造商不得不為每款終端推出多個(gè)版本，每個(gè)版本產(chǎn)量有限，使用的傳統射頻解決方案只能處理個(gè)別頻段，或者在單一終端中集成多個(gè)芯片組，以實(shí)現更大的覆蓋范圍。

高通的解決方案通過(guò)單一電路板級SKU 解決了射頻頻帶擴展的挑戰。該SKU模塊支持各種模式和頻段（從GSM之后的所有主要蜂窩制式和目前3GPP協(xié)議中包括的全部頻段）的組合，支持全球漫游，特別是4G LTE。在沒(méi)有單一射頻解決方案可以處理全球所有頻段的情況下，不采用強制方法組合大量離散零件怎么可能實(shí)現呢？這需要整合關(guān)鍵技術(shù)，將所有的關(guān)鍵技術(shù)都集成到美國高通公司的解決方案內，將其優(yōu)化成為一個(gè)端對端系統。

包絡(luò )功率追蹤器

第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是包絡(luò )功率追蹤器（ET），它根據信號的瞬態(tài)需求來(lái)調整功率放大器（PA）電源，。該技術(shù)是傳統平均功率追蹤器（APT）的升級，APT根據功率水平分組而不是瞬時(shí)信號需求來(lái)調整功率放大器的供電量。使用APT技術(shù)時(shí)，未使用的電量不僅浪費電池電力，而且還會(huì )產(chǎn)生余熱，這增加了對散熱空間的需求（見(jiàn)圖2a）。而借助包絡(luò )追蹤器，電量的提供取決于被傳輸信號內容的瞬時(shí)需要（見(jiàn)圖2b）。

包絡(luò )功率追蹤器與終端調制解調器交互工作，調整傳輸功率以滿(mǎn)足被傳輸內容的瞬時(shí)需求，而不是在恒定功率下的長(cháng)時(shí)間間隔后調整。這是業(yè)內首個(gè)用于3G/4G LTE移動(dòng)終端的調制解調器輔助包絡(luò )追蹤器，它將功耗降低最高達20％，發(fā)熱降低近30％（基于QTI的測試和分析）。這延長(cháng)了電池續航時(shí)間，降低了智能手機超薄機身內部的發(fā)熱。

包絡(luò )追蹤器與調制解調器一起運行，檢測瞬時(shí)功率需求，并管理功率放大器。借助基于CMOS的功率放大器，集成水平可以大幅提高，進(jìn)而衍生出完全集成的射頻前端系統級芯片這一想法。系統級芯片是指先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，現在已可用于射頻前端。

下頁(yè)內容：業(yè)內首次使用的3D 射頻封裝/RF POP
[page]
業(yè)內首次使用的3D 射頻封裝或RF POP TM解決方案

高通前端解決方案的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是業(yè)內首次使用的3D 射頻封裝或RF POPTM解決方案，采用先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，單一封裝內集成了單芯片多模功率放大器和天線(xiàn)開(kāi)關(guān)（AS），并將濾波器和雙工器集成到一個(gè)單一基底中，然后將基底置于基礎組件之上，整合成一個(gè)單一的“3D”芯片組組合，從而降低了整體的復雜性，摒棄了當今射頻前端模塊中常見(jiàn)的引線(xiàn)接合。集成功率放大器和天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的封裝作為基底層，管腳對所有頻段配置都一致，包含濾波器和雙工器的封裝針對全球和/或多地區頻段組合進(jìn)行配置，置于PA/AS基底之上，就像在一個(gè)通用基底上定制的“頂”。這一組合厚一毫米，在電路板上所占的面積只有美國高通公司前代射頻前端解決方案的一半。重要的是，針對不同地區的定制終端無(wú)需更改電路板布局，因為基礎PA/ AS層可以保持不變（見(jiàn)圖3）。
這種設計基于可支持700MHz到2.7GHz的全球LTE頻段以及傳統2G/3G頻段的架構，降低了“頂”部簡(jiǎn)化版本所需的本地RF頻段定制。借助RF POP方案，兩三個(gè)PCB設計現在就可以實(shí)現此前的數十個(gè)或更多設計才能達到的全球支持，因為多頻段配置可以使用相同的電路板布局。這為推動(dòng)LTE生產(chǎn)規模效益創(chuàng )造了可能性，效果正如四頻之于GSM以及五頻之于3G 。

相比之下，基于PCB模塊的傳統解決方案混合搭配不同技術(shù)，如基于GaAs和基于CMOS的組件，成為單一終端運行環(huán)境下的最佳解決方案。要適應更廣泛的環(huán)境則更為復雜，在某些情況下還會(huì )導致單一終端內存在多個(gè)并行解決方案。取決于設計的頻段組合，這些并行解決方案需要多個(gè)功率放大器、更多的獨立芯片以及相關(guān)的引線(xiàn)結合，這會(huì )帶來(lái)輻射干擾，增加了阻抗匹配需求，因而阻礙了技術(shù)集成。如果需要更多頻段，必須改變電路板（其中包括尺寸增加的可能性），并減少每一個(gè)獨特設計的數量（見(jiàn)圖4）。

下頁(yè)內容：自適應天線(xiàn)調諧器
[page]
自適應天線(xiàn)調諧器

第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是自適應天線(xiàn)調諧。更薄、更時(shí)尚的移動(dòng)終端設計讓射頻問(wèn)題變得更加嚴峻，即用戶(hù)的手掌和頭部與天線(xiàn)的實(shí)際距離變得更近，這使天線(xiàn)受到目標頻率的干擾；這是除了用戶(hù)手掌和/或頭部的物理障礙造成基站信號衰減外，另一個(gè)導致信號丟失的原因?；拘枰蛞苿?dòng)終端發(fā)送指令增加傳輸功率以補償丟失的信號。如果終端傳輸功率升高，那么電池的消耗也會(huì )加快。如果終端已經(jīng)處于最大傳輸功率，那么通話(huà)就會(huì )受到影響，甚至導致掉話(huà)（見(jiàn)圖5）。

相比之下，美國高通公司的系統與終端的傳感器相配合，監測天線(xiàn)信號干擾和增益信號損失，此外，調制解調器還能指導天線(xiàn)匹配調諧器重新調諧到正確的頻率。這就避免了因補償越限頻率傳輸造成的功率增加，功率只需增加到能夠補償物理障礙產(chǎn)生的信號衰減即可（見(jiàn)圖6）。

下頁(yè)內容：功率放大器性能
[page]
功率放大器性能

高通RF360解決方案采用全面系統設計打造全CMOS射頻前端。在過(guò)去，與基于模塊并采用GaAs/CMOS混合技術(shù)的解決方案相比，該前端被認為不足以滿(mǎn)足蜂窩功率的性能需求。然而，QTI的測試已經(jīng)證明，在廣泛的傳輸功率水平上，僅使用當前一代支持包絡(luò )功率追蹤的CMOS集成方案與使用當下平均功率追蹤的常規功率放大器相比，傳輸功率性能（TX功率產(chǎn)生的功耗）不相上下（見(jiàn)圖7）。

高通的支持包絡(luò )追蹤的解決方案與傳統的平均功率追蹤的解決方案相比，在不同功率水平上的差異很小。根據QTI在美國加州鄉村地區（2013年，連續監測7天，從早8點(diǎn)到晚8 點(diǎn)）以及洛杉磯市區（2011年，連續監測1天，從早6點(diǎn)至晚7點(diǎn)）的各個(gè)商用網(wǎng)絡(luò )上實(shí)地收集的數據，包絡(luò )追蹤器系統已在性能效率方面做了優(yōu)化，在現實(shí)世界最常用的功率范圍內提供最佳的通話(huà)時(shí)間和數據傳輸（見(jiàn)圖8），而且即使超出了這些最常用的傳輸功率范圍，其性能也接近傳統的功率放大器。

當基于高/低頻段的實(shí)際功率使用分布來(lái)衡量功率性能時(shí)，使用美國高通公司RF360解決方案的功率放大器在總功耗上與鄉村地區的傳統功率放大器幾乎相同，比城市地區的傳統功率放大器還要略低一些（見(jiàn)圖9）。

值得注意的是，這些性能對比不包括使用高精度模擬電路進(jìn)行優(yōu)化功率放大器和ET操作帶來(lái)的提升，例如，通過(guò)增加多個(gè)可編程增益狀態(tài)。天線(xiàn)調諧增益也沒(méi)有計入比較。QTI測試表明，2 dB增益來(lái)自于天線(xiàn)調諧，它將TX電源使用曲線(xiàn)的頻率在使用形態(tài)分布內向“左”轉移–2 dB（見(jiàn)圖10）。

將這些轉移的TX功率使用頻率分布計入性能分析，能體現出總功耗的進(jìn)一步提升。因此，即使沒(méi)有功率放大器優(yōu)化和天線(xiàn)調諧增益，整體系統性能也能滿(mǎn)足當下的需求，且與現有的前端解決方案不分上下，而且PCB空間需求更小，射頻頻段可擴展性更大。

高通的前端解決方案是一個(gè)創(chuàng )新集合體：

• 首款采用集成天線(xiàn)開(kāi)關(guān)的完全集成式單芯片多模、多頻段CMOS的功率放大器
• 首個(gè)堆棧式RF POP解決方案（3D封裝），縮小了射頻前端的空間，同時(shí)實(shí)現了通用電路板布局，并簡(jiǎn)化RF頻段定制或擴展
• 首個(gè)支持LTE的CMOS功率放大器
• 首個(gè)采用包絡(luò )追蹤的CMOS功率放大器
• 首個(gè)動(dòng)態(tài)重構LTE多模天線(xiàn)調諧器
• 總體來(lái)說(shuō)，它是第一款包括調制解調器和天線(xiàn)之間一切元件的、完全集成并基于CMOS的射頻前端

該解決方案重點(diǎn)解決全球LTE頻帶擴展對移動(dòng)終端的經(jīng)濟規模生產(chǎn)，以及極其有限的PCB空間所帶來(lái)的直接挑戰。RF POP方案實(shí)現了一個(gè)通用全球電路板級設計，它具有簡(jiǎn)化的射頻頻帶擴展或定制，可以幫助恢復終端的設計和生產(chǎn)規模。更小的射頻前端空間、散熱空間需求和尺寸，以及更長(cháng)的電池壽命，成就了外形超薄、功能強大且高效的終端設計。此外，該解決方案現已開(kāi)始出樣，旨在滿(mǎn)足實(shí)現LTE規模經(jīng)濟和全球漫游的緊迫挑戰。