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射频前端: 高端智能手机的无名英雄

2017-07-12 17:28:33作者:Brad Shaffer来源:智能电子集成

[摘要] 如果没有RFFE,手机根本无法连接到移动网络,更不用说今天网络频段越来越多,一款较新的手机至少需要支持2G、3G、4G加上WiFi、GPS等网络制式,而每一个制式都需要自己的射频前端模块。

  尽管智能手机发展至今已经十余载,但大多数使用者仍不知射频前端(RFFE)为何物。不过这并不影响RFFE在手机设计中担任关键角色。如果没有RFFE,手机根本无法连接到移动网络,更不用说今天网络频段越来越多,一款较新的手机至少需要支持2G、3G、4G加上WiFi、GPS等网络制式,而每一个制式都需要自己的射频前端模块。RFFE重要到什么程度呢?可以这么说,设计合理的RFFE对手机性能、工业设计、特性的创新来说至关重要。

  RFFE是射频收发器和天线之间的功能区,射频前端模块一般包括天线开关、多路器、滤波器、功率放大器(PAs)与低噪声放大器(LNAs)等无源器件。

  RFFE 越来越复杂

  智能手机的设计随着用户使用行为的改变而迅速发展。早已超越最初简单的语音和文本通信,现今数字内容的创建和消费成为主流。大尺寸屏幕的智能手机出货量大幅增长,2015年5英寸智能手机的出货量占总体的53%,而仅一年后就迅速达到73%的出货量。更大的屏幕也意味着耗电量的增加,因此对电池续航时间的需求极为迫切。增加电池续航力必然带来电池占用空间变大,这就变相压缩了RFFE等其他组件可使用空间,RFFE设计更具挑战。

  手机用户的需求变得非常具体:全球漫游、超薄机身、超长的电池续航…… 这些都对手机设计者提出更加苛刻的要求。带宽正变得越来越宽,频率变得越来越高、PA的功效甚至散热都将成为问题。在市场高度成熟竞争也更加激烈的今天,要想创造利润,OEM厂商必须比以往更加努力。为了简化供应链并减少库存风险,许多OEM厂商正在减少他们的最小库存单位(SKU)计数,手机支持更多无线电频段和载波。如一加5(一款手机)的一个类型的SKU可支持34个频段。支持所有主要的频段/全球载波及缩减设计空间等趋势,致使RFFE架构高度集成,功能也更加复杂。

  更薄的机身, 更大的屏幕, 更长的待机时间

  高度集成的RFFE组件,如调制解调器辅助的天线调谐解决方案,已成为高端智能机的常见配置。没有这些组件, 三星Galaxy S8的“无限显示”这种创新的设计几乎不可能实现。它大限度地提升了性能、节省了空间。

  三星Galaxy S8和S8+是第一款支持16类LTE或"千兆LTE" 的高容量商用智能手机。其中RFFE是最有价值的和复杂的设计,帮助三星仅仅在单一设计上采用一些SKU就能实现全球覆盖。我们可以预见,在CAT-16 LTE前的几代产品中,RFFE的成本和复杂性仍然是丝毫不变的,因此高度集成的RFFE组件主要应用于高端智能手机。

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  功率效率比以往任何时候都重要

  自智能手机问世以来,设计者就从未停止对如何不断改善能效的探索。事实上继手机屏幕之后, 一个最大的耗电设备就是RFFE。随着时间的推移,最有效的功率放大器变得越来越重要,智能手机厂商也正加紧部署这类技术。如,通过开发包络跟踪(envelope tracking --ET)技术以在LTE平台上寻求提高功率发射机效率的突破提升能效。

  在过去, 包络跟踪的一个限制是它的工作范围只能在最高20MHz的带宽上。然而, 现在新的解决方案已经开始支持带宽高达40MHz, 这是在上行链路中能够2xCA的手机的一个重要功能。通过加倍的上行带宽, 用户可以上传他们拍摄的内容, 如360VR视频,在如体育场这样的高需求场馆则可更快。随着用户生成的内容变得更多, 上行链路载波聚合将可以给智能手机用户带来更好的体验。

  从4G 到5G 的转移

  载波聚合的发展包括支持5xCA与CAT-18LTE, 这使得全球的运营商更容易实现多接入带宽聚合, 采用授权的和无授权的频谱技术, 如授权频谱辅助接入(LAA) 和LTE和Wi-Fi之间的天线共享。此外, 更先进的调制, 如下行256QAM和上行64 QAM, 使移动设备能够更有效地与网络交互, 实现快速下载和上传, 这是移动互联网最佳体验所必需的。

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  IHS Markit 预测,截止2019年底5G设备将开始商用。而支持5G新无线电(NR)将对RFFE带来更大压力。组件供应商必须支持新波形和更广泛的频段 (与移动宽带相关的), 从400MHz 到 6GHz, 以及附加的一组编码。智能手机的其他核心芯片,如基带,RFFE将需要提供向后兼容4G/3G/2G的操作模式。如果组件供应商不具备真正的系统级知识,将无法满足性能要求。

(By Brad Shaffer, Senior Analyst and Wayne Lam, Principal Analyst at IHS Markit)由a&s智能电子集成编译整理,转载请注明出处。

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[责任编辑:黄晓玲]

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