手机功放发展趋势探讨

GSM850/E-GSM900/DCS1800/PCS1900四种频宽的GSM/GPRS移动手机，是目前移动通讯的主流，一般传统的TDMA移动手机的硬件结构如图1。本文将详细讨论移动手机中诸多关键性零组件之一的功率放大器(Power Amplifier ,PA)。

               

                              图1 TDMA移动手机硬件结构方块图

PA的特性要求：GSM/GPRS四频手机是依据ETSI/3GPP的通讯标准来传送信号，所以功率放大器的特性必须符合以下的要求。

一般而言，PA之输出功率等级在GSM850MHz/900MHz频段，分为5(33dBm)~19(5dBm)等十五个功率等级，在DCS1800MHz/PCS1900MHz频段，则有0(30dBm)~15(0dBm)等十六个功率等级，随着手机距离邻近基站的远近与手机收信状况的好坏，PA的输出功率等级必须依据基站的指示做相对调整及精确的设定，不是只有单一的输出功率。

因为GSM/GPRS通讯系统乃是TDMA系统(Time-Division-multiple-Access)，故信号之传送(up-Link)与接收(down-Link)不是同时间发生的，而PA主要是负责传送手机信号到基站，其PA功率操作反应时间必需符合ETSI/3GPP通讯标准之规范，如图2所示，分三段时间区域(a)28us(b)542.8us(c)28us，在(a)区域，当手机欲传送信号到基站，PA必须在28us内做好Power-ramping-up 的准备工作，使PA输出功率保持在一个稳定且固定的值，以便开始做真正的手机信号传送工作，此即为(b)区域，而当信号传送完毕，一样须在(c)区域28us内做完Power-ramping-down即关掉PA Power，以节省电池电流消耗，同时进入接收模式(接收基站信号)，另外，有两点值得一提的是:(1)在(a)与(c)区域中，PA之反应速度要够快，以使PA能在28us内分别达到PA全功率输出与无功率输出，而且其功率输出的增加率(ramping-up)或递减率(ramping-down)也必须能有适当的快慢以达到很平滑(smooth)的功率上升、下降曲线，否则容易产生所谓的开关频谱噪声，进而影响邻近手机使用者之通话品质。(2)在(b)区域中，PA之输出功率必须维持非常稳定，功率变动范围在±1dB内，否则手机欲传之信号很容易因PA本身功率不稳定，而受到PA的调变，因而产生调变频谱噪声，此将大大提升手机本身通话时之BER(Bit-error-rate)，使通话品质不佳。

                   

                                   图2 PA的输出功率VS时间图  

因移动手机与基站的最远距离约有35公里，PA的输出功率约在30~35dBm，所以PA需要较大的供应电流，其电流可高达1.6~2A，一般PA的输出效率约在50%，再加上PA工作周期(duty cycle)到GPRS Class 12的应用时将会达到50% (4个时隙)，因此PA模块将会产生大量的热在IC本身，所以必须有很好的散热处理，否则PA容易因过热而损坏。

因移动手机本身常会在相当不好的环境中使用，如高速行驶、恶烈气候环境等，所以手机本身的接收灵敏度(Sensitivity)要求很高，在此同时，PA所需之输出功率又要比较高，故对PA工作时相对产生的接收频带噪声功率等等特性之要求将更加严格。

一般手机PA在正常的操作模式下，输出端所看到的阻抗为50Ω负载，但是当手机使用者不当使用手机，例如手握天线，甚至拔掉天线，将会发生PA负载阻抗完全偏离正常工作50Ω负载，这就是所谓的PA失配(mismatch)，在这样的状况下，PA功率送不出去，将会导致更多的热散在IC上，易导致PA烧坏，此外，因PA本身是大功率组件，除了输出功率，同时会产生很大的热噪声，PA本身即会有很大的稳定度问题，若是再发生失配状况，更易导致PA振荡，因而产生其它频率之噪声(Spurious Oscillation noise) ，影响到其它手机系统使用者，故PA设计本身必须确保在失配状况下，PA不会发生振荡与烧坏之现象。

如同前点所说，PA乃是一个大功率组件，且其输出端功率乃是用微带传输线来做阻抗匹配，故RF信号容易经由介质耦合和空气中辐射到PA外围手机通讯电路，甚至影响邻近手机使用者。其中最典型的例子即信号耦合到PLL中的VCO，容易造成VCO的频率偏移，此将大大影响手机本身之通话品质，故PA设计本身之屏弊与隔离乃是充满挑战的一个课题。

PA 的技术与运作PA的设计近年来由于在IC输出阻抗匹配线路之Q值不佳，所以多采用多芯片模块(MCU，Multi-Chip-Module)的结构，如图3。

                  

                                          图3 PA的功能方块图