LTE/11ac引领潮流 手机射频前端设计翻新

GPS)相关之射频前端组件。显而易见地，射频前端组件中功率放大器的创新设计，直接牵动着手机射频前端的细部架构。

功率放大器由支持2G移动通信的固定封包(Constant Envelop)单一模式功能的分离器件，演进至提供支持2.5G移动通信的50输入输出接口的四频段(Quad-band)(GSM/通用分组无线业务(GPRS)/GSM增强速率演进(EDGE))功率放大器芯片模组，再由支持3G移动通信单模的线性功率放大器，进一步演化提供LTE的空中接口、并向下兼容与支持多频段之多模多频功率放大器(Multimode Multiband PA, MMMB PA)。

多模多频功率放大器架构

近年来，射频前端模组供应商于手机市场上，已有几种不同功能的多模多频功率放大器，以提供系统芯片商之平台设计参考，或原始设计制造商(ODM)之客制化建议。基本上，多模多频功率放大器依其支持的通信模式，可以区分成单模的功率放大器(Single-mode PA)、融合模式的功率放大器(Converged-mode PA)与混合模式的功率放大器(Hybrid-mode PA)，这三种模式的功率放大器在性能、电路板(PCB)面积与价格上都有其不同的考虑。

支持GSM/GPRS/EDGE四频段(800/900MHz与1800/1900MHz)的功率放大器，与支持3G/4G LTE单模单频段的功率放大器，即是目前市场最常使用的单模式的功率放大器，图1是由单模的功率放大器组成的典型手机射频前端方块图。

图1、单模功率放大器组成的手机射频前端方块图

该多模多频的射频前端架构，主要由天线开关模组、2G/2.5G四频段功率放大器及五至六个单模3G/4G LTE功率放大器组成，可支持五模十三频(表2)全球漫游功能。这种单模单频的功率放大器，因对特定的频段与负载阻抗(Load-line)有着优化的设计，因此在既定规格的发射功率(Output Power)下，有着最好的功率附加效益(Power Added Efficiency, PAE)。

虽然单模式功率放大器的方案可以提供较好的发射性能，但因其功率放大器的数量随使用频段增加，又不同地区须使用不同数量的功率放大器，再加上印刷电路板面积大、布线复杂且无法一版通用，因此造成手机设计困难度、料件及PCB成本皆提高。

融合模式的功率放大器，顾名思义是采用单一功率放大器适用多种通信模式的设计。由融合模式功率放大器组成的射频前端架构，将进一步减少功率放大器的使用数量。

以图2为例，仅使用两个融合模式的功率放大器取代2G/2.5G四频段功率大器，以及五至六个单模3G/4G LTE功率放大器，大幅度减少料件成本与PCB布线的面积。因此，由融合模式的功率放大器所组成的多频多模射频前端架构，其除能有效降低手机成本与PCB布线复杂度外，共享的PCB设计还可以缩短新款手机的研发时程。

图2、融合模式功率放大器组成的多模多频射频前端架构

然而，在射频性能上多模多频融合模式的功率放大器仍有设计上无法优化的缺点。2G/2.5G的最小移频键控(GMSK)信号特征是固定封包，4G/LTE的16正交振幅调变(QAM)的信号特征非固定封包(Non-constant Envelope)，两者在功率放大器的偏压工作点、负载阻抗与匹配电路的设计上是颇有差异的。举例来说，若将输出GSM 35dBm功率放大器的输出级电晶体大小与相同的匹配电路，工作于LTE 27dBm的输出功率，PAE的不彰是显而易见的。综上所述，多模多频融合模式的功率放大器，在工作于不同模式下有着性能上的差异，无法达到多模工作时功率附加效益的优化设计。

另一种混合模式功率放大器(Hybrid-Mode PA)的方案架构可参考图3，虽然稍有增加PCB大小与功率放大器的数量，不过，若能改进融合模式功率放大器耗能的缺点，也将会是另一种考虑合理性价比的设计。

图3、混合模式功率放大器组成的多模多频射频前端架构

混合模式的多模多频功率放大器，是依其频段与线性度(2G/2.5G或4G LTE)的规格要求，区分成四路功率放大路径，两路的功率放大器提供2G/2.5G的高频段(High Band)与低频段(Low Band)使用，另两路的功率放大器提供3G/4G LTE的高频段与低频段使用。四路的功率放大器可以分别依其工作的频段与线性度的不同，进行功率电晶体尺寸与匹配电路的优化设计。

混合模式功率放大器的多模多频射频其端架构，就射频性能而言，优于融合模式功率放大器组成的射频前端架构，也可以与单模功率放大器组成的射频前端架构性能相当。就PCB面积大小而言，却也须要适度增加功率放大器芯片的大小与PCB的面积，不过，随着系统芯片封装微型化技术演进，有限面积增加已是市场上的趋势。

多频多模整合需求　PA设计面临挑战

不论融合式的功率放大器或是混合模式的功率放大器，其设计的挑战皆来自于多模多频的整合需求，性能要符合多模多频的要求