手机RF前端设计挑战及应对策略
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，最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最高功率。
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，以为终端用户提供最佳通话时间，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。
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例如，如果手机工作在29dBm(这是GSM系统中最常见的功率值)，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，最终缩短通话时间。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，最安全的校准值应为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。
在图11中，对这三个解决方案的电流与输出功率进行了的对比。这证明了如果设计人员要实现相同的输出功率以满足OTA需求，那么电流控制方案中的输出功率就需要调整为33dBm，功率检测方案的输出功率与之相比要小1dB。最终的结果是在满功率工作时，50欧姆环境下可节省180mA电流，从而延长电池寿命和通话时间。在节省电流的同时，并未牺牲任何实际输出功率OTA性能。降低调相目标的另一优势是，降低了吸收率(SAR)，且减少了谐波的生成，因为在满功率1dB回退点，谐波能量要低很多。这减轻了辐射问题，并能加快产品面市速度。
如果设计人员对该方法不感兴趣，而希望提高输出功率，那么可通过使用VSWR容差性能更优的器件来实现。但提高输出功率后，每个设计人员都面临着多时隙GPRS情形下辐射能量无法达到SAR要求的可能性。而设计更优的、VSWR容差性能良好的器件通过限制低阻抗状态下的输出功率，使手机工作在较高功率水平时仍能满足SAR要求(参见图12)。
图12说明，如果手机设计人员希望优化OTA性能，那么电压控制和功率检测解决方案与电流控制解决方案相比，其调相目标要高出0.5到0.75dB。从统计角度看，较高的调相目标会降低SAR性能。但由图12我们可以看到，这三种解决方案的峰值功率摆幅是相同的，而50欧姆环境下设定的功率要高于电流控制方案的功率。这使得设计人员能够开发出在运营商要求的OTA性能方面比竞争对手更为优秀的产品。
最后需要考虑的是发射(TX)和接收(RX)性能间的平衡，以及是否能根据不同地区定制性能。从图3，即手机天线VSWR性能示意图中可以看出，如果需要的话，可以通过调谐来为提高RX性能而降低TX性能。图中的紫色轨迹表示手机放在头部附近的传统通话方式，在提高频率时，GSM 850 TX和RX性能会略有降低，而GSM 900 RX VSWR则会有所改善。如果TX通路VSWR容差性能良好，设计人员就能根据其具体设计中的侧重点，灵活地权衡参数。
总之，失配情况下评估方案的重要性必须得到重视。这为设计人员打开了新思路，他们能以前所未有的方式进行系统级性能权衡。如果只是根据50欧姆实验室测试来检测解决方案，可能会导致无法正确选择合适的设计架构。由图10可知，这三种解决方案都能执行相应功能，且性能非常相似。虽然在50欧姆环境中确实如此，但实际应用却有很大不同。关注OTA性能可使设计者更为灵活地定制产品，以实现更优的功耗、OTA功率或RX性能。为此，设计人员应开放思路，采用新方法来进行RF前端评估，并作出真正能够影响用户满意度的决策，如降低呼损率，延长电池寿命等。随着终端客户的使用体验的改进，手机的品牌形象也会大幅提升，最终提高消费者需求量和运营商的采用率。
当前行业中GSM手机采用最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。本文中介绍的最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，电流控制是表现最差的一种。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。