智能手機進入全面屏時代未來幾代智能手機的目標是設計和構建具有吸引力的用戶體驗的下一代智能手機。 這些下一代設備必須能夠兼具有吸引力的外形和提供高性能連接的能力。射頻（RF）工程師面臨的挑戰(zhàn)是在不犧牲RF性能的情況下實現(xiàn)下一代智能手機的設計。 本文提供了克服這一挑戰(zhàn)的方法，特別是在全屏智能手機的情況下的射頻前端設計挑戰(zhàn)。

智能手機制造商正在推出具有邊緣到邊緣顯示屏和18：9寬高比屏幕的全新手機。外形尺寸因素是通過減少天線可用空間來實現(xiàn)的，但這會影響天線性能，可能會導致問題，包括更短的電池壽命，連接問題和更低的數(shù)據(jù)速率。整個射頻前端的Tx和Rx路徑需要提高性能，以補償天線影響并保持總輻射功率和Rx接收靈敏度的要求。

天線空間受限的問題

制造商正在轉(zhuǎn)向“全屏”設計，邊緣到邊緣的顯示屏幾乎占據(jù)整個手機面的智能手機。與此同時，媒體格式要求正在推動屏幕寬高比從16：9變?yōu)?8：9。

這些更改減少了可用于天線的空間，天線必須位于屏幕占用的區(qū)域之外。天線面積縮小高達50％，屏幕頂部和底部的邊框從高度7-8毫米減少到3-4毫米（圖1a）。由于長寬比變化，手機也變得越來越窄（圖1b），因此天線必須更短。

圖1a，b。

圖1a，b。全屏設計縮小了天線可用的邊框區(qū)域。由于轉(zhuǎn)換為18：9寬高比，手機也變得更窄。

更少天線的更多天線

這個問題越來越嚴重，智能手機中天線的典型數(shù)量從2-4增加到4-6，甚至可能會更多，而天線可用空間在縮小（如所示圖2）。但是手機需要更多的天線，以使用多種方式來提供更高的數(shù)據(jù)速率，包括多頻帶載波聚合（CA，carrier aggregation ），4x4 LTE MIMO，Wi-Fi MIMO以及增加新的5G頻段。另外，隨著600 MHz頻段的增加，頻譜范圍在不斷擴大，高頻段的頻率在3GHz以上即將投入使用。

圖2.手機需要在更小的空間內(nèi)容納更多的天線

圖2.全屏幕是更大問題的一部分：手機需要在更小的空間內(nèi)容納更多的天線

天線性能影響

天線面積和長度的減小都會影響天線的性能。減小天線面積會大大降低天線效率（如圖3a所示）。天線的帶寬也會隨之降低，這使得特定頻段的效率優(yōu)化變得更加困難（圖3b）。天線的影響可以顯著降低Tx和Rx的性能，導致電池壽命縮短，連接不良，工作范圍縮小以及數(shù)據(jù)速率降低等問題。

圖3a，b。

圖3a，b。減少天線面積會影響天線效率和帶寬。

克服挑戰(zhàn)

由于全屏設計，較低的天線效率和帶寬直接影響關鍵的發(fā)射和接收RF性能指標，如：總輻射功率（TRP，Total Radiated Power）和接收（Rx）靈敏度。補償這些影響需要在射頻前端（RFFE，RF front end）內(nèi)的整個Tx和Rx通道中提高性能。

集成模塊是實現(xiàn)這些性能改進的關鍵，同時還可以在分配給射頻前端（RFFE，RF front end）的有限空間內(nèi)繼續(xù)添加新的RF功能。將各個組件集成到模塊中可減少由板上匹配引起的信號損失。集成還有助于制造商簡化和加速手機的設計和開發(fā)。簡化的設計和改進的性能降低了不能滿足產(chǎn)品發(fā)布目標日期和違反運營商性能規(guī)定等的風險。

下面我們回顧一下工程師可以用來解決全屏幕挑戰(zhàn)的關鍵設計方法。

增加總輻射功率（TRP， Total Radiated Power ）

為了增加TRP，有必要最大化Tx路徑中關鍵組件的性能（如圖4所示）。這些包括功率放大器（PA），濾波器和天線調(diào)諧器。

圖4. RF通路中影響TRP的組件模塊

圖4. RF通路中影響TRP的組件模塊。

先進的功率放大器增加輸出的線性功率和效率

提高PA輸出功率是提供更高總輻射功率（TRP， Total Radiated Power ）的關鍵第一步。面臨的挑戰(zhàn)是增加功率放大器的輸出功率，同時保持線性，最大限度地減少電流消耗并避免散熱問題。

隨著業(yè)界采用新的Power Class 2（High Performance User Equipment，高性能用戶設備）標準，提高功率輸出變得更加重要。功率等級2規(guī)范將天線處的輸出功率翻倍至26 dBm，以克服高頻頻率下更大的電波傳播損耗。移動運營商開始使用Power Class 2來增加41頻段的覆蓋范圍。

需要先進的制造工藝和封裝技術才能實現(xiàn)功率放大器的更高功率輸出，線性度，效率和散熱性能等設計目標。 HBT5 GaAs工藝提供業(yè)界領先的線性功率輸出和功率附加效率（PAE，power added efficiency）。與早期的工藝相比，HBT5還提供了顯著提高的平均壽命改進，這允許在更高的電流密度下工作以增加功率放大器的增益和功率效率。先進的封裝加強了散熱性能，使用銅柱可有效地散發(fā)較輸出高功率水平下所產(chǎn)生的熱量。

Gen-5 RF Flex射頻前端模塊產(chǎn)品組合集成了功率放大器，低損耗開關和其他核心器件組件，有助于在全屏設計中提高LTE模式下的功率輸出。 RF Flex Gen-5 QM56022多頻段功率放大器模塊中包括高，中，低頻功率放大器以及后置功率放大器開關，可將LTE功率輸出增加1dB以上，有助于滿足運營商對功率等級2（Power Class 2）； RF Flex Gen-5 QM57508發(fā)射模塊具有2G PA，低損耗開關和天線耦合器，在2G模式下可提供0.5到1dB更多的輸出功率。

改進的電源管理

電源管理組件可與兼容功率放大器配合使用，以最大限度地提高功率輸出，同時最大限度地降低電流消耗，包括QM56022在內(nèi)的功率放大器與包絡跟蹤（ET，envelope tracking）解決方案兼容，該解決方案通過連續(xù)調(diào)整功率放大器電源電壓以跟蹤射頻發(fā)射信號的包絡來優(yōu)化效率。對于平均功率跟蹤（APT，average power tracking）應用，另一種方法是使用升壓組件（voltage boost component），如 QM81050：當需要更高的輸出功率時，例如當用戶距離移動網(wǎng)絡基站較遠時，可以通過增加PA的電源電壓來增加PA的輸出功率。

濾波器

每年，工程師越來越依賴射頻濾波器來管理干擾，今天的手機支持多達40個頻段以及其他無線技術，如Wi-Fi和藍牙。低損耗濾波器（包括雙工器（duplexers）和多路復用器（multiplexers））對于降低PA后端的損耗至關重要，以幫助實現(xiàn)更高總輻射功率（TRP， Total Radiated Power ）的設計目標。除了提供低插入損耗之外，濾波器還必須能夠承受住PA在全屏設計中所產(chǎn)生的更高功率。 BAW固態(tài)諧振器（SMR，solidly mounted resonator）濾波器針對高功率應用（包括功率等級2）進行設計和驗證。BAW SMR濾波器通過固體反射器堆疊來有效地實現(xiàn)散熱，提供更低的熱阻和更短的熱時間常數(shù)。

BAW濾波器在高于1.5 GHz的頻率上提供最大的優(yōu)勢，并被用于許多更高頻率的LTE頻段。這使它們非常適合用于5G的新型高頻段和超高頻段的頻譜應用中。

天線調(diào)諧器（Antenna Tuners ）

天線調(diào)諧對全屏設計產(chǎn)生巨大影響，好的天線調(diào)諧方案有助于提高電池壽命和數(shù)據(jù)速率。天線調(diào)諧通常能將TRP提高3 dB。這可以顯著提高手機電池的使用壽命，因為系統(tǒng)需要較少的電流來在天線處產(chǎn)生所需的功率。

隨著天線數(shù)量的不斷增加和可用空間的減少，天線調(diào)諧變得更加重要。智能手機可能使用多天線的天線調(diào)諧解決方案。天線調(diào)諧器在低頻段具有最大的優(yōu)勢，因為低頻段傳輸受到全屏設計中減小的天線面積的影響最大，因此需求最大。

智能手機可以利用兩種方法進行天線調(diào)諧?？讖秸{(diào)諧（Aperture tuning）（圖5）對于優(yōu)化多頻段天線效率以及補償環(huán)境影響（如用戶的手位置）尤為重要。阻抗調(diào)諧（Impedance tuning）通過降低由于阻抗不匹配而在天線反射的功率來增加TRP。

圖5.阻抗和孔徑調(diào)諧

圖5.阻抗和孔徑調(diào)諧（Impedance and aperture tuning）。

提高Rx靈敏度

諸如天線調(diào)諧解決方案，低損耗濾波器和雙工器以及低噪聲放大器（LNA）等高性能RFFE（射頻前端）組件對于提高全屏設計中的Rx靈敏度同樣重要。它們一起可以將Rx靈敏度提高幾個dB，通過增加操作范圍和數(shù)據(jù)速率來補償縮小的天線尺寸所帶來的不利音箱，并改善用戶體驗。

天線共享

展望未來，天線共享正逐漸成為滿足全屏手機天線數(shù)量日益增加的重要手段。 天線共享使得單個天線可用于多種用途，從而減少了手機系統(tǒng)增加天線的需求，并有助于避免性能下降。 需要創(chuàng)新的射頻前端（RFFE，RF front end）解決方案來實現(xiàn)天線共享，并在射頻前端（RFFE，RF front end）的復雜性不斷增加時保持天線數(shù)量在可控范圍內(nèi)。

總結

高性能射頻前端（RFFE，RF front end）解決方案對于彌補由于過渡到全屏手機和18：9屏幕長寬比所造成的天線影響至關重要。 整個Tx和Rx通道都需要提高性能，以保持TRP和Rx靈敏度，同時最大限度地降低功耗。包括高功率PA，低損耗濾波器和天線調(diào)諧器在內(nèi)的相關的射頻前端（RFFE，RF front end）解決方案組合，可以幫助克服挑戰(zhàn)。

圖6、5G需要整合各種技術