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求一种手机射频增强的技术方案

射频学堂 来源:慧智微电子 2023-03-27 10:54 次阅读

尽管有声音说近年来手机革命性变革已不多,但仍然有厂商的突破让人眼前一亮。 近日,在荣耀Magic5系列手机的发布会上,荣耀CEO赵明表示:“Magic5 Pro和至臻版搭载自研、业界首颗射频增强芯片C1,实现对多个传统信号弱势场景的全面优化”[1]。从发布会信息看,Magic5 Pro手机抓住了出电梯后快速回网、地库弱信号增强等痛点场景进行优化,给用户带来良好的5G信号体验。

荣耀对于射频性能的关注,使大家重新审视“通信”这个手机里本该最基本的功能。 虽然智能手机是以无线通信技术为基础的智能设备,但通信技术往往只是“背后英雄”。华为、vivo、OPPO、小米等厂商都发布过射频信号优化技术,不过相比于看起来高高在上的射频技术,让用户更愿意为之买单的,可能还是那颗几nm工艺的CPU

从荣耀的新机发布看,手机厂商好像找到了更好的优化方法:与其堆砌用户听不懂的高深技术,还不如在用户使用的场景中做增强和优化,切实改善用户使用体验。

在用户的这些体验中,“连网不掉线”无疑是最重要的体验之一。于是,我们就围绕“射频增强”这一话题,谈谈有什么思路可以实现“射频增强”。

无线通信的“链路”

在分析无线射频信号时,通常采用“链路预算(Link Budget)”的方式来计算链路中各路径的损耗及各节点的信号强度。无线通信的“链路”是指无线信号传输过程互相连接的各段路径。

在手机到基站的通信过程中,射频信号主要通过以下路径:

手机中收发机发出的射频信号被功率放大器放大,并通过滤波器天线开关等通路损耗后,在手机天线测试口达到协议所规定的传导功率;

传导信号经过天线损耗后,经天线辐射发出;

手机发出的信号经过一定的空间距离后,到达基站天线处;

由于基站天线可提供一定的定向增益,所以信号等效被天线增益所放大,形成基站侧传导功率;

传导功率再经过一定的路径损耗后,进入基站接收通路进行处理。

以上路径可以用下图表示。

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图1:手机发射信号被基站所接收的通信链路示意图

在以上路径中,传导功率一般为定值。所以若需要在手机侧做改进,改善辐射功率,从而改善进入基站的接收信号强度,就需要减少线路损耗及天线损耗。

同理,手机作为接收、基站作为发射有相类似的传输路径。在基站到手机的通信过程中,射频信号主要通过以下路径:

基站中收发机的功率经过功率放大、路线损耗,进入基站天线;

基站天线提供定向的增益,将信号等效在特定方向辐射,达到EIRP(等效全向辐射功率)指标;

信号经过空间路径损耗,被手机天线获取;

手机天线一般不能提供定向增益,信号经天线接收损耗后成为传导功率;

传导功率经过一定的路径损耗后,进入手机接收通路进行处理。

以上路径可以用下图表示。

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图2:基站发射信号被手机所接收的通信链路示意图

在以上路径中,基站所发出的EIRP功率,及终端所接收的信号强度功率是手机接收路径的两个主要功率值。在基站EIRP指标确定、路径距离确定的情况下,可通过减少天线损耗、线路损耗,来增强终端接收信号强度。

以上为手机与基站通信时的基本路径。虽然在实际应用中,会有多个频段和模式同时工作、5G/4G/3G不同模式对接收信号强度需求不同等具体实现和计算,但传输路径与上述过程基本相同。

“信号增强”的方法

了解了以上链路,就可以针对性的做“信号增强”。以手机角度考虑,在信号增强的处理中,主要分为以下三种处理方式:

发射信号增强

接收信号增强

传输匹配增强

发射信号增强

观察图1所示手机发射路径,手机在发射时,传导功率与辐射功率是两个重要的功率指标。

传导功率通常是指,将手机发射功率直接接入仪表这种方式得到的功率值,目的是了解手机发射功率的能力。由于传导测试通路稳定,所以指标清晰,3GPP等协议组织所发布的众多指标也是以传导测试方法作为标准。

辐射功率是指手机在接入天线之后,向外辐射的功率大小。辐射功率测试更接近于实际使用环境,但由于测试受天线设计、天线阻抗的影响较大,同时,影响辐射功率测试准确度的因素也比较多,比如测试环境中的探头补偿,转台精度,暗室吸波材料质量等,这些都导致辐射功率的测试实现起来更加复杂。

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图3:传导和辐射测试 既然传导功率和辐射功率是影响手机发射信号的两个重要指标,那如何才能增强这两个功率的大小呢?

传导功率的增强

虽然传导功率提升会对手机发射信号的传输距离有直接的提升,但由于功率提升会带来对人体的辐射、对其他通信设备的干扰等问题,协议一般对手机的传导功率进行严格的限制。

以5G手机为例,3GPP规定手机有PC3、PC2、PC1功率,PC为Power Class的缩写。下表为3GPP协议中对不同频段可以发射的功率等级,及这些功率等级的功率定义[2]。

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图4:3GPP规定的5G手机发射的功率值

以中国三大运营商均推荐支持的n3频段为例,此频段手机发射的传导功率在23dBm,容限是+/- 2dB,即此频段手机传导功率需要限制在21~25dBm之间,想发射更大的功率是不可能的。所以,是没办法通过大幅度的提升传导功率,来让手机的发射信号变得更强的。

不过,即使是3GPP所定义的功率范围,也是有容限的。比如在上表中,大部分频段的上下限之间差别在4dB。以3dB就是功率差一倍简单估计,同样是PC3功率,靠近上限的手机是靠近下限的手机发射功率的两倍,也是一个较为可观的值了。

但手机发射大功率需要较大的电流支撑,这对电池是一个压力。对于手机厂商来说,不得不在强信号和长待机时间做个折衷。射频器件供应商开发的高效率PA可以来解决这个折衷问题。高效率PA可以在足够小的电流下,发射出足够大的功率来,从而使手机发射功率可以更加靠近于协议上限,发射性能得以增强。

另外,优化路径损耗,可以减小PA到传导天线测试口之间损失的能量,同样可以在电流限定的情况下,使传导能量有所增加。

辐射功率的增强

辐射功率是手机中的重要性能参数,决定了真实场景下手机的通信能力,所以移动终端厂商、运营商以及某些强制认证中都会着重要求此指标能力。

辐射功率的重要衡量参数是TRP(TotalRadiated Power,全向辐射功率),TRP的计算为传导功率乘以天线辐射效率8efe9d24-cb28-11ed-bfe3-dac502259ad0.png,计算公式为:

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当传导功率一定时,辐射功率主要由天线效率决定。

随着5G手机支持频段越来越多,并且随着屏幕面积的进一步缩小,天线的辐射效率也受到明显影响。下图为Qorvo展示的5G手机天线辐射效率仿真,可以看到,随着天线与地之间净空距离由12mm降低到5mm,天线辐射效率的峰值也从85%降低到35%,辐射能量减少到原来的一半。在当前5G手机中,天线净空基本已经到5mm以下,给天线设计提出了巨大挑战,同时也影响到手机辐射功率性能。

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图5:天线辐射效率与天线净空的关系 另外,天线带宽的增加,也会引起天线效率的降低。为了保障天线辐射效率,天线设计一般会将频段分组进行支持。根据《5G移动终端天线设计》所述,典型的天线设计分组如下图所示[4],采用7天线的方式,进行5G全频段的支持:

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图6:经过合并之后的天线分组

为了进一步增强手机辐射功率性能,还可以对天线进一步拆分,使每个天线性能在较窄的频段内优化。不过会带来成本及手机布局压力的增加。在2019年华为发布的Mate 30 Pro手机中,天线进行了更细的拆分,采用14根天线对5G信号进行支持[5]。

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图7:2019年华为Mate 30 Pro手机中的天线设计 在天线净空受限、天线数量受限的情况下,天线辐射效率将受到影响。为了增强天线辐射性能,可以增加调谐器件,如天线Tuner,以使天线性能可以根据频率和应用场景做针对性的优化,以增强辐射功率性能[4]。有关天线Tuner的设计考虑在第三节的“传输匹配”增强中与其他调谐方式共同讨论。

接收信号增强

在如图2所示手机接收链路中,基站EIRP和传输距离一定时,到手机天线口的无线信号功率也确定。于是,增强手机接收能力的方式主要就剩下减少天线损耗,及减少线路损耗。

由于天线收发的对称性,接收通路减少天线损耗的方式与发射侧相同。减少线路损耗的方式也是尽量缩短接收天线至接收电路之间的距离,减少损耗性器件的数量。以上两个考虑与前一节发射通路的考虑相同,在此不再赘述。

在接收信号增强中,还有一个重要考虑,就是减小其他干扰信号对接收信号的影响。在干扰信号中,“白噪声”和其他频段的干扰噪声是主要的干扰源。以下分别对二者进行讨论。

“白噪声”的处理

白噪声是由电子热震动引起的,在自然界无处不在,是不能够被消除的噪声。白噪声的存在决定了系统通信能力的上限。在室温环境中,白噪声的功率谱密度约为-174dBm/Hz。

由于白噪声的存在,有用信号需要尽可能的远离白噪声噪底,这样接收电路才可以尽可能的将信号分辨出来。为了表征信号强度距离噪底的大小,SNR(信噪比,Signal Noise Ratio)被引入进来。SNR的计算方式是信号强度除以噪声强度。SNR是通信中的重要指标,根据通信中基本香农定理的计算,信道的通信容量和SNR成正比。

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图8:SNR的定义

在手机接收信号时,尤其在距离基站较远场景下,接收信号经过长途跋涉,到达手机时已经非常小,甚至接近噪底。这时就需要注意在处理时尽量不再引入额外的噪声,保持已经微弱的信噪比SNR不再受到破坏。

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图9:经过长途跋涉,手机接收到的信号已经非常微弱

在放大过程中,尽量保持SNR不受破坏的方式就是引入“LNA”,低噪声放大器(Low Noise Amplifier)。

低噪声放大器并不是将噪声减小,事实上,放大器并没有办法区分信号和噪声,二者会同时被放大。低噪声放大器在放大过程中尽量的不去引入额外的噪声,尽量少的破坏信号与噪声之间的比值。低噪声放大器与普通放大器对信号的放大效果如下图所示。低噪声放大器引入的信噪比恶化要远小于普通放大器。

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图10:LNA与普通放大器对微弱信号的处理效果

为了表征放大器对SNR恶化的程度,噪声系数指标被提了出来。噪声系数的定义是进入放大器的SNR,除以经过放大器后输出的SNR。噪声系数越大,说明信号SNR被破坏的越多。

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噪声系数是接收信号增强中重要考虑的指标,对噪声系数的优化和控制,有助于增强手机的接收能力。

“干扰噪声”的处理

除了白噪声外,通信系统中还有其他各种干扰,这些干扰一定要被仔细处理或屏蔽,否则也会对接收信号造成干扰,影响手机的接收性能。

在干扰信号中,有一类干扰信号非常特殊,即FDD(频分双工)系统中手机自己的发射信号。

FDD是3G时代通信的主流制式,到了4G和5G时代仍然是手机中重要通信模式。FDD模式工作下,发射信号和接收信号同时工作在不同的频率上,相互不需要时间切换,信号传输速率高。

但FDD也有一个重要缺点,就是一定要处理好发射信号对接收信号的干扰。由于发射信号是大功率信号,通常伴有强烈的接收频段干扰噪声。而接收信号通常较小,如果与发射信号之间的隔离没有做好,则非常容易引起Desense(接收灵敏度恶化)。

在系统路径中,一般通过双工器来进行发射与接收频段间的噪声滤除。滤除过程如下图所示。

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图12:FDD系统中,对发射噪声的处理

以上路径为信号主要的传输路径,在其他路径传输时,发射通路与接收通路之间的隔离应优于以上路径。否则发射信号就会从其他路径干扰到接收信号,以上滤波特性将不起作用。

除了发射噪声直接进入接收信号频段外,还有可能发生交调干扰,即同时在发射的两个或多个大功率信号,经过交调之后处于接收频段,影响接收性能。交调干扰分析更为复杂,需要具体问题具体分析,保障接收信号不被干扰。

严格来说对接收信号所做的以上防干扰处理,只能算是保障接收信号不被恶化。不过由于当前手机系统相当复杂,在方寸之间有全球的频段和多种制式,保障接收信号完全不被干扰并不是容易的事。不断的将信号解耦,尽量让接收信号受干扰的场景少出现,也算是在为接收信号的“增强”做的努力。

传输匹配增强

射频阻抗的窄带特性

尽管理想的射频系统是各界面间均为50 Ohm,此时,信号可以达到没有反射的向前传输。但这一理想目标在手机中较难取得,主要原因是:

手机需要支持的频段从0.6GHz一直到6GHz,很难有射频器件在这么宽的范围内始终保持50 Ohm;

虽然可以用区分频段的方式,用划分子频段支持的方式分而治之,但受限于手机面积,仍然有器件(如天线)需要在较宽频范围内复用;

人手持握等外部环境对天线阻抗影响极大,造成内部器件的负载阻抗始终在不断变化中。

阻抗失配带来的影响

阻抗失配会带来传输效率的损失。以50 Ohm的源向50 Ohm的负载传输效率定为100%计算,当负载阻抗由5 Ohm变化至500 Ohm时,传输效率的变化如下图所示。

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图13:负载阻抗变化时传输效率的变化

可以看到,当负载阻抗变化时100 Ohm时,只有89%的功率有效传输,剩下的11%功率被界面反射,当负载阻抗变化至200 Ohm,传输效率降低至64%。当负载阻抗由50 Ohm向低阻变化时,传输效率同样变低。

阻抗变化除了会引起传输效率的在恶化外,还会恶化通信系统中子电路的性能。如《5G射频PA的load-line与load-pull》中提到,PA输出特性与输出负载相关,当负载阻抗偏离最优阻抗点时,射频PA的输出功率、线性度等指标都会恶化。

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图14:PA的最优负载load-pull示意图

收敛阻抗,增强传输

既然阻抗不匹配对射频传输有明显影响,那是否有办法改变阻抗匹配特性呢?答案是有的,天线调谐、匹配调谐就是其中的代表。

天线调谐器:主动调整天线阻抗

由于天线阻抗无法在较宽的范围内控制在50 Ohm,那可以在天线处放置一个阻抗调谐器(Antenna Tuner),动态的根据频率变化、天线外部环境变化来调整天线特性,尽可能的达到匹配的状态,使失配状态下的信号得到增强。

天线调谐器有两种设计方法,分别为阻抗调谐(Impedance Tuner)和孔径调谐(Aperture Tuner)。

天线阻抗调谐器放置于天线和射频前端芯片之间,是一个可以根据状态调整的匹配电路,根据天线阻抗的不同,匹配电路可以调整至不同状态,保持左右两边的阻抗匹配。

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图15:阻抗调谐天线Tuner放置的位置,及实现示例

天线孔径调谐器是利用调谐器件,改变天线的谐振特性,以达到天线阻抗及辐射效率随频率变化。孔径调谐一般放置在天线结构以内,直接对天线特性进行调整,在天线效率调整上有更大的调整范围。

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图16:孔径调谐天线Tuner放置的位置,及实现示例

在传导功率被协议限制的情况下,合理设计天线Tuner就可以实现天线辐射效率的明显提升,达到射频增强的目的。下图为Qorvo所展示的某孔径调谐Tuner效果[6]。通过调谐,850MHz的效率由基线版本中的-3.5dB左右,提升至-1.2dB;810MHz的效率由基线版本的-11dB,提升至-2dB,提升效果达9dB。以3dB为两倍来估算,810MHz的辐射效率提升了8倍之多,可见增强效果的明显。

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图17:Qorvo公司展示的某孔径调谐Tuner调谐效果

天线调谐器对于天线阻抗的调节,必须是基于天线场景做的针对性调节,所以天线信息的获取就变得尤其重要。根据获取天线信息的不同,天线调谐器在使用中分为开环控制和闭环控制两种方式。

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图18:天线调谐器的两种控制方式

开环控制是将天线调谐控制参数预先写入,在使用时直接调用。比如预先根据工作频率的不同,设置不同的匹配参数等。开环控制的好处是控制简单,只需要预先写入一定参数,在后续使用中就可以调用这个确定性的信息。其缺点是无法根据使用场景的不同重新优化,调节场景也限定在预先写入的几个状态范围之内。

闭环控制是构建控制环路,实时检测天线信息,根据算法计算出当前需要的匹配及天线状态后,直接控制天线控制器进行实现。闭环控制的优点是控制场景覆盖广泛,性能优化更明显。缺点是控制复杂,需要闭环算法进行计算。

在当前使用中,各手机平台对于天线Tuner的开环控制已经有了较好的支持,预留了相应的控制接口。但天线Tuner的闭环控制需要天线控制器和平台做深入的联动设计,在应用中还是有很大的挑战。

下图为采用闭环控制算法实现的天线Tuner调谐效果[7],可以看到,不使用天线调谐的情况下,手机输出功率在25dBm到31.5dBm进行波动。而使用了闭环控制的天线调谐器后,功率的波动范围缩小到29dBm至31dBm之间。天线性能的稳定性得到了明显的提升,多种场景下发射信号得到了明显的增强。

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图19:闭环天线调谐对于射频发射信号的增强

匹配调谐:保证通路始终匹配

与天线匹配调节的思路类似,还可以在不同电路模块之间加入匹配调谐网络,实现可以随状态配置的匹配网络。

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图20:包含阻抗匹配调谐网络的射频前端系统

慧智微公司所开发的AgiPAM系列射频前端系统中,就采用了阻抗匹配调谐网络技术,通过匹配网络的调谐配置,慧智微射频前端产品可以在较宽的频率范围内实现性能窄带优化,增强射频性能。

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图21:慧智微可重构射频前端设计理念

慧智微自2011年投入进行射频前端可重构技术平台的研究,并于2014年开发出世界首款商用可重构射频前端技术平台AgiPAM,经过近10年的迭代发展,目前可重构技术平台已发展至第四代,实现包含4G/5G产品在内的数亿片产品出货。

在具体产品实现上,基于AgiPAM 3.0技术平台实现的5G Phase5N多频多模PA模组产品S55643,通过阻抗匹配调谐和PA性能调谐,可实现n7、n40(PC2)、n41(PC2)等高频关键频段优化。实测结果显示,S55643系列产品可实现电流13~28%的降低。

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图22:传统Phase5N产品与基于可重构射频前端技术产品S55643-x对比

与天线调谐类似,阻抗匹配调谐也需要根据应用场景进行配置。慧智微AgiPAM平台目前采用开环的方式对阻抗匹配调谐进行控制。进入AgiPAM 5.0后,慧智微期待与平台及终端客户深入合作,实现与应用场景结合更紧密的射频性能优化,实现手机射频性能的继续增强。

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图23:AgiPAM系列产品路线图

总 结

近年来,因为手机年出货量的饱和,以及芯片供应商的增加,“卷”字成为手机行业的主题。随之而来的就是成本导向,价格雪崩,整个行业陷入不健康竞争。

用户不愿意为高价产品买单的原因,还是因为产品无法提供解决差异化的价值。如果用户的痛点得以解决,产品是可以卖出溢价的。

具体到射频前端芯片行业,可能的研究方向有:

用户关心的信号问题,可以通过优化射频前端性能、干扰,甚至采用新的天线方案、系统架构来进一步增强;

用户关心的功耗问题,可以通过高效率的PA内核,与平台DPD的配合等技术来优化;

用户关心的手机厚度问题,可以通过自屏蔽技术,减少额外屏蔽罩的应用来解决。







审核编辑:刘清

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