从4G到5G,高端智能手机射频前端如何进化?

来源:IHS科技 作者:IHS科技2017年07月17日 14:07

从最早主要用于通话和短信的功能机,到下载速度快于很多家庭网络连接的智能手机,射频(RF)前端是一 直以来被忽视的一个部分。如今,大多智能手机用户甚至都不知射频前端为何物,但它仍然是手机设计自问世以来最重要的一个环节。射频前端(RFFE) 是移动电话的射频收发器和天线之间的功能区域,主要由功率放大器 (PAs) 、低噪声放大器 (LNAs) 、开关、双工器、滤波器和其他被动设备组成。如果没有适当的RFFE,设备根本无法连接到移动网络,从而对于如今的用户来说毫无用处。一个设计合理的RFFE对于当前在手机性能、功能和工业设计方面的创新是至关重要的。

随着智能手机市场的不断成熟,高端市场不断推陈出新。早期的高端智能手机屏幕较小,电池寿命较短,移动网络带宽不足以传输高清视频或下载大文件。幸运的是如果用户不仅仅满足于通话和短信而有更多需求,现在他们可以整日沉浸在自己手机上,尤其是自LTE手机诞生以来。在过去的几年里,智能手机用户的需求已经得到了扩展,一定程度上受益于于YouTube、Facebook和Twitter等社交媒体应用的日益普及。这些应用软件加快了用户生成内容的生产和消费,推动了更快、更一致的下载和上传速度。自LTE设备诞生以来,RFFE的复杂性显著增加;设备的其他功能的改进也在改善整体用户体验方面获得更多的肯定,但是这些改进导致了一个更具挑战性的RFFE设计环境。

如今类似消费视频的用户应用体验持续增强,以至于成为智能手机用户最常见的应用行为之一。因此,随着智能手机出货量的增长,屏幕尺寸也随之快速增大。屏幕在5英寸及以上的智能手机2016年出货量占73%, 而一年前只有53%。大屏幕通常会拖累电池寿命,这也带动了更大的电池容量设计。这些变化和其他功能的改进共同导致了关键RFFE组件的物理空间减少。与此同时,考虑到大尺寸屏幕对电池续航的影响,RFFE的设计要比以往更重视电源使用效率。

Gigabit LTE 与 射频前端: 这很复杂

随着每一代无线宽区域网络(WWAN)技术的发展,射频前端的复杂性也在不断增加。然而,与之前任何一代相比,最新一代的旗舰产品在射频内容和复杂性方面已经有了一个阶梯式跃进。从LTE-A到LTE-A Pro的升级可能是目前RFFE设计复杂程度最大的一次飞跃。

RFFE的设计复杂程度标准随着同一设备内发射和接受通道的数量增加而提高。这通常与RFFE设计中使用的天线数量和支持的空间数据流的数量相关。正如在上图Galaxy S6 Edge+和下图S7 Edge中所看到的,在Cat 6和Cat 9/12设备之间,天线架构保持相对不变,而在Cat 16 设备中将会看到天线数量的显著增加。

随着其扩展的载波聚合能力、更高阶的调制、更复杂的天线架构、越来越多的空间流以及LTE-U功能,像Galaxy S8和S8+这样新型高端智能手机的RFFE可以说是在它们发布时最复杂的智能手机射频设计。

Galaxy S8和S8+是第一款支持Cat16 LTE的量产智能手机,其下行链路速率约为千兆比特每秒 (1Gbps) ,与上代旗舰级调制解调器支持LTE Cat12 600Mbps的速率相比有了显著的提高。更快的下载速度不仅使终端用户受益,而且还使移动网络运营商和网络上的其他设备受益。Cat16 LTE带来更快的数据传输速度,移动设备更小的占空比,更延长的电池续航时间,同时也通过更高效的网络交互释放了网络资源。此外,运营商还可以通过像LTE-U这样的技术来利用免牌照的频谱。

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