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从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?

2017/8/11    来源:IHS科技    作者:佚名      
关键字:4G  5G  高端智能手机  
从最早主要用于通话和短信的功能机,到下载速度快于很多家庭网络连接的智能手机,射频(RF)前端是一 直以来被忽视的一个部分。如今,大多智能手机用户甚至都不知射频前端为何物,但它仍然是手机设计自问世以来最重要的一个环节。
    从最早主要用于通话和短信的功能机,到下载速度快于很多家庭网络连接的智能手机,射频(RF)前端是一 直以来被忽视的一个部分。如今,大多智能手机用户甚至都不知射频前端为何物,但它仍然是手机设计自问世以来最重要的一个环节。射频前端(RFFE) 是移动电话的射频收发器和天线之间的功能区域,主要由功率放大器 (PAs) 、低噪声放大器 (LNAs) 、开关、双工器、滤波器和其他被动设备组成。如果没有适当的RFFE,设备根本无法连接到移动网络,从而对于如今的用户来说毫无用处。一个设计合理的RFFE对于当前在手机性能、功能和工业设计方面的创新是至关重要的。
 
    随着智能手机市场的不断成熟,高端市场不断推陈出新。早期的高端智能手机屏幕较小,电池寿命较短,移动网络带宽不足以传输高清视频或下载大文件。幸运的是如果用户不仅仅满足于通话和短信而有更多需求,现在他们可以整日沉浸在自己手机上,尤其是自LTE手机诞生以来。在过去的几年里,智能手机用户的需求已经得到了扩展,一定程度上受益于于YouTube、Facebook和Twitter等社交媒体应用的日益普及。这些应用软件加快了用户生成内容的生产和消费,推动了更快、更一致的下载和上传速度。自LTE设备诞生以来,RFFE的复杂性显著增加;设备的其他功能的改进也在改善整体用户体验方面获得更多的肯定,但是这些改进导致了一个更具挑战性的RFFE设计环境。
 
    如今类似消费视频的用户应用体验持续增强,以至于成为智能手机用户最常见的应用行为之一。因此,随着智能手机出货量的增长,屏幕尺寸也随之快速增大。屏幕在5英寸及以上的智能手机2016年出货量占73%, 而一年前只有53%。大屏幕通常会拖累电池寿命,这也带动了更大的电池容量设计。这些变化和其他功能的改进共同导致了关键RFFE组件的物理空间减少。与此同时,考虑到大尺寸屏幕对电池续航的影响,RFFE的设计要比以往更重视电源使用效率。
 
    Gigabit LTE 与 射频前端: 这很复杂
 
    随着每一代无线宽区域网络(WWAN)技术的发展,射频前端的复杂性也在不断增加。然而,与之前任何一代相比,最新一代的旗舰产品在射频内容和复杂性方面已经有了一个阶梯式跃进。从LTE-A到LTE-A Pro的升级可能是目前RFFE设计复杂程度最大的一次飞跃。
 
从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?
 
    RFFE的设计复杂程度标准随着同一设备内发射和接受通道的数量增加而提高。这通常与RFFE设计中使用的天线数量和支持的空间数据流的数量相关。正如在上图Galaxy S6 Edge+和下图S7 Edge中所看到的,在Cat 6和Cat 9/12设备之间,天线架构保持相对不变,而在Cat 16 设备中将会看到天线数量的显著增加。
 
从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?
 
    随着其扩展的载波聚合能力、更高阶的调制、更复杂的天线架构、越来越多的空间流以及LTE-U功能,像Galaxy S8和S8+这样新型高端智能手机的RFFE可以说是在它们发布时最复杂的智能手机射频设计。
 
从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?
 
    Galaxy S8和S8+是第一款支持Cat16 LTE的量产智能手机,其下行链路速率约为千兆比特每秒 (1Gbps) ,与上代旗舰级调制解调器支持LTE Cat12 600Mbps的速率相比有了显著的提高。更快的下载速度不仅使终端用户受益,而且还使移动网络运营商和网络上的其他设备受益。Cat16 LTE带来更快的数据传输速度,移动设备更小的占空比,更延长的电池续航时间,同时也通过更高效的网络交互释放了网络资源。此外,运营商还可以通过像LTE-U这样的技术来利用免牌照的频谱。
 
    尽管RFFE的复杂程度显著增加,然而设备PCB上留给此功能区的空间一直以来却逐渐减少。在过去的几年里,高端智能手机已经从仅支持有限的射频频段转为单一SKU型号就支持高达34个频段的智能手机,比如OnePlus 5。为了尽可能在有限的空间容纳扩展的频段,RFFE越来越模块化,比之前集成了更多的PA、滤波器、双工器、开关和LNA部件。PCB上元器件密度越来越高,元器件间的干扰逐渐成为一个不可忽视的问题,如何对每个射频元器件实施充分有效的隔离挑战进一步加剧。
 
从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?
 
    虽然上文提及RFFE元器件已高度集成,但越来越多的频段支持和更快移动宽带速率所需要的复杂性导致使用更多的元器件,提升了RFFE部分的成本,证明了RFFE部分的价值所在。
 
从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?
 
    类似4x4多输入多输出(MIMO)天线结构和载波聚合的技术用来实现Cat16 LTE性能的大幅提升,但与此同时也增加了成本。载波聚合是将多个区块(分量载波) 组合以获得更高的带宽和吞吐量。Cat16 LTE最多聚合4个分量载波 (4x CA) ,总带宽80MHz, 下载速率可达1Gbps。Cat16 LTE 之前的版本只有3个分量载波,总带宽60MHz。4x4MIMO带来带宽提升和更高的下行速率,与此同时也增加了本已复杂的RFFE复杂程度,其中最大的影响之一是对接收链路RF元器件,特别是与其他元器件 (如LNA) 一起集成在模组里的滤波和切换开关部分。
 
    不止 Cat 16 LTE: 边框更窄,屏幕更大,更好的电池续航
 
    为了在成熟的市场中获得竞争优势,OEM厂商面临着来自产品差异化方面越来越大的压力。在过去几年中,类似调制解调器辅助天线匹配调谐解决方案仅体现于高端智能手机设计领域,目前已在各大OEM厂商设计中司空见惯。天线匹配调谐已成为RF前端的重要零部件之一,减少因环境和设计因素造成的干扰和智能手机RF信号的衰减并提升功率效率。如果没有天线匹配调谐技术,仅简单握住智能手机的动作就能恶化射频信号的质量, 智能手机厂商就得更注重选择不会显著影响RF信号质量的设计。类似Galaxy S8 的智能手机无 (窄) 边框设计需要将天线放置在屏幕下方, 这将对射频信号造成干扰,将天线置于富有挑战性的射频环境。
 
    IHS Markit对Galaxy S8+的拆解分析发现该手机同时使用了来自高通QAT3550和QAT3514的阻抗/孔径天线调谐技术, 以充分提高置于屏幕下方的天线性能。通过部署类似调制解调器智能天线调谐技术,OEM厂商可以减小天线尺寸,提高整体电源效率和信号稳定性。
 
    电源效率是智能手机设计师自产品诞生以来一直关注的问题,除了屏幕,RF前端是电池电量消耗最大部分之一。实现尽可能高效的功率放大器逐渐变得越来越重要并产生了广泛的技术应用如封包跟踪。封包跟踪芯片动态调整功放芯片的功率以达到最大的功放效率。高通和Qorvo等公司在其前端套片中提供封包跟踪检测芯片,其他公司如三星也引进了此技术。
 
    在过去,对于ET的限制是它只能在20MHz的带宽上工作,但是在最新的一代产品QET4100上,高通已经能够支持高达40MHz的带宽,这对于在上行线路中有2xCA的手机来说至关重要。通过将上行线路的带宽增加一倍,用户可以上传自己的视频,比如360度虚拟现实视频,在高需求的场馆如体育馆中,速度更快。随着用户生成的内容变得越来越普遍,上行载波聚合将带来更好的用户体验。
 
    平均功率跟踪是另一种用于提高PA效率的技术,但其在许多已有/新增LTE频段所在的较高频率下通常效率较低,在过去5年里,LTE已从多数设备运行的1.9GHz或更低的频段转移到基本上所有高端智能手机都支持的2.1GHz或更高的频段,这对拥有较高频段的移动网络运营商是个利好,例如Sprint在美国有160MHz的2.5GHz(频段41)频谱。然而更高的频率通常无法传播较远且不易穿透建筑物,这就是为什么高性能用户设备(HPUE)正在被部署的原因。HPUE设备能够在更高的功率水平上传输,从而增加设备的可用范围,这种情况下,封包跟踪技术变得至关重要。
 
    实现4G到5G的升级
 
    没有射频前端中几项技术的进步,就没有移动手机上的4G+和5G新无线电(NR)技术的发展。载波聚合的发展,包括支持5xCA的Cat 18 LTE,使全球的运营商更容易利用授权和无授权的频谱,利用许可的辅助接入(LAA)和LTE与无线网络之间的天线共享。此外,下行线路的256 QAM和上行线路的64 QAM等更先进的调制,使得移动设备能够更有效地与网络交互。
 
    4G+的频率范围将扩展至600MHz的低频段和 3.5 GHz的高频段。一些组件供应商已经能够通过硬件支持这些新频段,然后通过未来的软件更新作为支持。一般来说,4G+将对射频前端的接收端构成更大的挑战,因为下游的数据传输速率超过1Gbps,不过,在更宽的频率范围内的额外频段也需要来自传输端的组件支持,例如功率放大器。
 
    IHS Markit预计,到2019年底,5G设备将投入商用,而支持5G技术的举措将进一步给RFFE带来压力。组件供应商将不得不增加对新制式的支持,以及从400MHz到6GHz的更广泛的频带(与移动宽带有关),以及一套额外的编码。如其他核心智能手机ICs如基带一样,RFFE需要提供向后兼容,以支持4G/3G/2G的操作模式。如果没有真正的系统级别的专业知识,当前和即将推出的RFFE将使组件供应商更难以阻止RFFE成为设备移动宽带性能的瓶颈。供应商必须提供完整的组件组合,从而为OEM厂商提供不同程度的性能和灵活性,是以满足终端用户的需求。
 
责任编辑:李欢
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