在過去十年中，手機經歷了巨大的變革。面世伊始僅供人們通話和收發短信的手機，現在已經轉變為多功能手持設備，融電話、Web瀏覽器、短信工具、照相機、游戲機、MP3播放器和很多實用功能于一體，能夠滿足人們的移動信息需求。此外，當前的手機用戶不僅需要這些功能，而且還要求能夠隨時隨地使用這些功能。這種移動技術需要兼容多個頻段和多種調制標準。由于功能復雜，且消費者喜愛小巧機型，設計人員因此面臨強大壓力，必須以更低的物料清單（BOM）成本和創記錄的交付時間來提供產品，才能滿足市場對于產品不斷推陳出新的期望。如此嚴格的要求促使設計人員改變了對RF前端的評估測試方式。本文講討論上述需求對于設計的影響，以及如何利用新方法來增強多功能手機的用戶體驗。
已涉足此行業數年的設計工程師可能還記得，幾年前，語音是決定產品性能的關鍵因素，最常使用的調制格式是GSM/GPRS，手機的外形較大，RF前端部分所占用的印刷電路板（PCB）面積也較多，性能是關注的焦點。天線位于手機外部（如圖1所示），采用短截線天線或能夠拉出收回的滑動型天線，其效率遠優于當前手機中的天線。這類手機僅支持純語音呼叫，用戶要將手機拿至貼近頭部的位置。因此，天線的設計是在相對了解的環境中進行的，能夠實現設計的優化。直至今天，這依然很重要，因為功率放大器（PA）對于通話時間影響很大，而這直接關系到使用某種型號或某個品牌手機時的用戶體驗。如果設計人員能夠優化手機在實際使用環境中的電流消耗，那么該產品在消費者市場中會占據更有力的競爭地位。天線及其實際性能間的一致性使得手機設計人員能夠通過天線與PA的阻抗匹配靈活地優化設計，以便盡可能高效地提供最高功率。
手機設計今非昔比
時光荏苒，手機市場發生了巨變。現在的關注焦點是應用處理器和組件，專注于軟件應用勝過提升用戶體驗。目前，手機外形更為小巧，但在很多情況下，為了實現這些獨特外形，不得不在一定程度上犧牲性能。現在的手機采用的是貼片天線或平面倒F天線（PIFA）（參見圖2），多數情況下它們的效率低于過去的天線。不過，為了解決設計人員面臨的難題，一些手機轉而采用過去的短截線天線。這種性能與外形尺寸間的取舍，會直接影響電池壽命、通話時間和網絡可用性方面的用戶體驗，因為天線選擇及其使用環境會影響PA的工作。
例如，電壓駐波比（VSWR）就體現了這是如何影響PA的。當前的手機工作在三種基本配置下。一種是用戶按傳統方式將手機貼在頭部附近通話，或者置于頭部前方，使用揚聲器通話，還有一種情況是手機并沒有握在手里，而是與用戶有一定的距離。天線的VSWR性能差別很大，這只是其中的三種主要場景，實際上，由于手指和手掌的位置不同，存在很多種使用狀況，但為簡單起見，本文僅討論以上三種情況。有關天線VSWR性能的差別請參見圖3。
圖3：手機中PIFA天線的VSWR性能。
這些頻率響應說明了在當前新一代手機中，PA面臨的不同VSWR要求。對于這類手機，在頻段邊緣，PA對應的VSWR范圍為5:1到2:1。VSWR性能還會影響接收靈敏度。許多手機設計人員涌來評估RF前端的通常做法是，在50歐姆實驗室環境中測量性能。實際上，這種方法對于今天的設計已不再適用，因為PA所面對的阻抗是不可預測的。設計人員要優化解決方案，以為終端用戶提供最佳通話時間，就必須著手在不同的VSWR條件下檢測RF前端。
諸如3GPP等標準委員會制定了空中測試（OTA）要求。一般來說，這些要求要比運營商的要寬松得多，因為后者需要更嚴格的OTA性能。運營商為其手機設置的典型值為傳導RF輸出功率-11dB。根據GSM 850標準，這相當于22dBm OTA要求，因為傳導輸出功率要求設置為33dBm，而天線效率和傳播效果隨頻率不同，會有-11dB的損耗。如果RF前端都按照這些要求進行評估和對比，這些OTA要求就能直接應用于50歐姆系統。
GSM功率控制架構對通話時間的影響
當前行業中GSM手機采用最廣泛的三種架構分別是電流控制、電壓控制和功率檢測。圖4、圖5和圖6分別給出了這三種架構的簡化框圖。
圖4：電流控制模塊圖。
圖4中的電流控制架構是一種間接控制的方案，它監控電流并使其保持恒定。這種方法將電流與功率相關聯，只要電流與功率之間的關系保持恒定（僅當負載電阻不變時），就能非常出色地控制功率。控制功率的方法是：通過調整放大器的基級偏壓來控制增益，進而實現功率控制。圖5為電壓控制示意圖，它與電流控制類似，也是一種間接控制方法，只是將電壓而非電流與功率相關聯。這種方法非常類似電流控制，只要負載電阻恒定且電壓和功率間的關系保持不變，就能工作良好。與電流控制相似，在電壓控制中，通過調節集電極電壓而非基級偏壓來控制功率。本文中介紹的最后一個架構是功率檢測（如圖6所示）。這種方法將一部分信號耦合回檢波器，檢波器通過比較輸出電壓和參考電壓來檢測功率。這種功率控制方法的準確性也很高，失配主要取決于耦合器的方向和反饋回路中的誤差。該架構的缺點是，增加了耦合器的輸出損耗和組件成本，因為它需要更多電路來實現功率控制功能。
圖5：電壓控制模塊圖。
圖6：功率檢測模塊圖。
在非常簡短地回顧了基本功率控制架構后，下面重點介紹器件的評估測試，采用的是能夠反映實際性能，并直接影響通話時間、電池壽命和呼叫接收效果等用戶滿意度指標的方式。首先，為了解實際環境，必須描述天線性能（如圖3所示）。正像前面所述，VSWR的變化范圍在2:1到5:1之間，具體取決于終端用戶和手機的位置。綜合這些考量因素，用于對比的基準定為3:1 VSWR。選擇該值的原因是因為它能很好地體現實際環境中的性能，而不會有不切實際的功率反射回PA，從而導致比較結果有誤差。為正確描述這些產品，必須進行負載牽引測試，用這種方法設計人員可以精確控制失配、相角和輸出功率精確度。該方法如圖7所示。
圖7：負載牽引的設置。
通過圖8和圖9可以看出，即使采用不同架構實現了功率控制功能，在實際環境中的性能還是有可能出現很大差異。這意味著什么？為什么很重要？首先，如前所述，OTA性能是真正的關鍵，它與輸出功率直接相關。如圖9所示，在這三種維持到負載的恒定輸出功率的方法中，電流控制是表現最差的一種。在GSM 850頻段，電流控制和功率檢測方法有大概1.5dB的差異。功率檢測機制的缺陷在于允許電流增加，而其它解決方案中的電流維持在合理值。盡管這種情況下看起來通話時間會較長，但實際環境中并非如此。
例如，如果手機工作在29dBm（這是GSM系統中最常見的功率值），基站實際上會要求手機將功率值從29dBm提高到31dBm，因為輸出功率無法滿足當前功率控制電平（PCL）。這反過來會增加電流消耗，最終縮短通話時間。另一個需考慮的則是電流消耗所取得的優勢。在手機中，如果電流控制機制在這些情況下提供了足夠輸出功率，能夠滿足運營商的OTA要求，則無須擔心進入VSWR的功率。由于出色地降低了輸出功率，因此提供一種VSWR性能較好的解決方案就能夠大幅節省電流消耗。在查看圖10時，請考慮以下問題：如果所有解決方案交付的功率均相同，那么它們會對終端用戶有何影響？
對于電壓控制和功率檢測方法而言，可將50歐姆校準設置為降低1dB，但仍滿足相同的輸出功率要求。ETSI傳導規范指定，對于PCL 5，正常情況下的功率為33dBm±2dB。這意味著為達到傳導性能，針對PCL 5，手機必須至少輸出31dBm。考慮到留出余量的需求，最安全的校準值應為31.5dBm。如果需要更大的余量，則設計人員可將手機調相至50歐姆環境中為32dBm，從而大幅節約電流。圖11中詳細介紹了與50歐姆環境下性能的關聯問題。
在圖11中，對這三個解決方案的電流與輸出功率進行了的對比。這證明了如果設計人員要實現相同的輸出功率以滿足OTA需求，那么電流控制方案中的輸出功率就需要調整為33dBm，功率檢測方案的輸出功率與之相比要小1dB。最終的結果是在滿功率工作時，50歐姆環境下可節省180mA電流，從而延長電池壽命和通話時間。在節省電流的同時，并未犧牲任何實際輸出功率OTA性能。降低調相目標的另一優勢是，降低了吸收率（SAR），且減少了諧波的生成，因為在滿功率1dB回退點，諧波能量要低很多。這減輕了輻射問題，并能加快產品面市速度。
如果設計人員對該方法不感興趣，而希望提高輸出功率，那么可通過使用VSWR容差性能更優的器件來實現。但提高輸出功率后，每個設計人員都面臨著多時隙GPRS情形下輻射能量無法達到SAR要求的可能性。而設計更優的、VSWR容差性能良好的器件通過限制低阻抗狀態下的輸出功率，使手機工作在較高功率水平時仍能滿足SAR要求（參見圖12）。
圖12說明，如果手機設計人員希望優化OTA性能，那么電壓控制和功率檢測解決方案與電流控制解決方案相比，其調相目標要高出0.5到0.75dB。從統計角度看，較高的調相目標會降低SAR性能。但由圖12我們可以看到，這三種解決方案的峰值功率擺幅是相同的，而50歐姆環境下設定的功率要高于電流控制方案的功率。這使得設計人員能夠開發出在運營商要求的OTA性能方面比競爭對手更為優秀的產品。
最后需要考慮的是發射（TX）和接收（RX）性能間的平衡，以及是否能根據不同地區定制性能。從圖3，即手機天線VSWR性能示意圖中可以看出，如果需要的話，可以通過調諧來為提高RX性能而降低TX性能。圖中的紫色軌跡表示手機放在頭部附近的傳統通話方式，在提高頻率時，GSM 850 TX和RX性能會略有降低，而GSM 900 RX VSWR則會有所改善。如果TX通路VSWR容差性能良好，設計人員就能根據其具體設計中的側重點，靈活地權衡參數。
總之，失配情況下評估方案的重要性必須得到重視。這為設計人員打開了新思路，他們能以前所未有的方式進行系統級性能權衡。如果只是根據50歐姆實驗室測試來檢測解決方案，可能會導致無法正確選擇合適的設計架構。由圖10可知，這三種解決方案都能執行相應功能，且性能非常相似。雖然在50歐姆環境中確實如此，但實際應用卻有很大不同。關注OTA性能可使設計者更為靈活地定制產品，以實現更優的功耗、OTA功率或RX性能。為此，設計人員應開放思路，采用新方法來進行RF前端評估，并作出真正能夠影響用戶滿意度的決策，如降低呼損率，延長電池壽命等。隨著終端客戶的使用體驗的改進，手機的品牌形象也會大幅提升，最終提高消費者需求量和運營商的采用率。
作者：Jackie Johnson
RFMD公司