如何优化射频电路设计
在用于智能手机通信的无线电路(RF电路)中，旨在降低功耗的技术开发也非常活跃。这是因为，就峰值功率而言，只有射频电路会消耗大约2W的功率，所以还有很大的降低空间。
发射机用来放大信号的功率放大器(PA)在RF电路中消耗最多的功率。当终端与基站距离较远时，信号峰值瞬间会消耗约1.5W(图18)。因此，在射频电路中，如何降低功率放大器的功耗成为人们关注的焦点。
图18:射频电路对策
在智能手机的射频电路中，功率放大器(PA)消耗的功率最大。比如LTE的输出为23dBm时，仅功放一项，瞬间就要消耗约1.5W的功率(A)。因此，为了降低射频电路的功耗，通过外围技术(B)提高PA的效率，降低损耗是非常重要的。(图18: (a)本刊根据澳大利亚新南威尔士大学和英国努吉拉公司数据制作)
降低功耗的关键在于提高PA的功率附加效率，降低外围技术的功耗(图18(b))。
*功率附加效率(PAE) =表示PA的实际输出信号功率(从输出信号功率中减去输入信号功率的值)与电源加载的DC功率之比。
PA的功率附加效率随所采用的通信模式而变化。例如，GSM通信电路中使用的PA有望达到50%以上的效率，而W-CDMA模式中使用的PA最高约为40%。至于LTE，因为没有完全优化，最大效率只有35%左右。也就是说，LTE终端中用于PA的超过65%的输入功率被浪费(转化为热量等。).
多频阻塞效率改进
对于未来将成为LTE智能手机主流的PA来说，提高功率附加效率是极其困难的。原因在于多频的推动。
为了能在世界各地使用，LTE智能手机标配了国际漫游功能。因此，射频电路必须支持多种频率(多频)。如果根据支持频率的数量来安装诸如PA和滤波器之类的RF电路的单个组件，则组件的数量将会增加，从而导致安装面积和成本的增加。为了避免这种情况，LTE终端的主流是使用一个套餐可以支持多个频率的多频产品(图19)。“许多终端厂商打算主要在射频电路中使用多模多频元件”(村田制作所执行董事、模块事业本部副本部长中岛贵举)。
图19:通过多频产品减少安装面积
如果使用多频功率放大器(PA)，即使支持的频段数量增加，安装面积也不会增加。(本站根据三菱电机的资料制作)
相比于单频段(单频)产品，村田的多频PA不易提高效率。支持的放大频段越多，功率附加效率越难提高，属于权衡关系(注1)。
注1)多频PA一般采用宽带放大电路，与在特定频段具有放大特性的单频PA相比，效率值容易下降。
信封跟踪技术亮相
作为提高LTE终端中多频PA的效率的技术，精细控制输入PA的电源电压的“包络跟踪”已经受到了很多关注。
包络跟踪是一种动态调整PA电源电压的技术。以前，已经使用“平均功率跟踪”的方法来以1个时隙为单位切换PA的电源电压，用于发送信号。包络跟踪跟踪信号幅度(信号功率)，并在较小的时隙内切换电源电压，以便在输出时选择最高效的电源电压进行传输(图20)。
图20:跟踪信号波形并精确控制电压。
无电压控制、平均功率跟踪和包络跟踪的时间轴信号波形示意图。粉色线表示电压水平，粉色区域表示发热(过度耗电)。(图片由本刊根据努吉拉公司资料制作。)
PA的功率附加效率取决于电源电压和发射功率，所以如果能根据发射功率切换电源电压，就能始终在理想状态下选择最大效率点，减少冗余功耗。通过这种技术的组合使用，弥补了多频功放效率低的缺点。
实现包络跟踪的方法有很多。最常见的方法是从输入信号波形中提取幅度的形状，然后将所需的偏置信号输入PA(图21)。此时，设计用于加载最佳偏置电压的控制IC由欧美风险企业开发。
图21:包络跟踪控制电路
偏置信号波形由输入信号波形产生，并且输入功率放大器(PA)的电源电压由偏置信号波形精细控制。电源电压根据PA的输出而变化，因此可以用最高效率的电压驱动。(图片由本刊根据三菱电机的资料制作。)
大幅降低功耗
比如使用英国Nujira公司提供的包络跟踪控制IC，比不使用时功耗可降低40% ~ 55%(图22)。“与W-CDMA相比，大动态范围的LTE可以进一步降低功耗”(努吉拉公司现场应用经理Tamas Vlasits)。
图22:包络跟踪的效果
Nujira的包络跟踪控制IC“NCT-l 1100”封装在一个4mm见方的BGA (A)中。W-CDMA、HSUPA和LTE射频电路在23dBm输出时的功耗。包络跟踪技术的引入大大降低了PA的功耗。LTE可以降低55%的功耗(B)。(图片由本刊根据努吉拉公司资料制作。)
用于包络跟踪的控制IC插在PA和RF收发器IC(或基带处理LSI)之间使用。控制IC通过符合MIPI(移动工业处理器接口)标准的芯片间接口进行控制。
注2) MIPI联盟2011 11成立工作组，制定信封跟踪专用接口标准。用于从RF收发器IC或基带处理LSI发送和接收包络信号的信号线标准是预先确定的。
另一家在包络跟踪控制IC领域更受关注的公司是美国Quantum。该公司将自主开发的技术命名为“qBoost”，并计划与PA制造商合作，扩大该技术的应用范围。据该公司称，通过使用这项技术，电力的额外效率可以提高到50%左右。
Quantance与三菱电机有合作。前不久，三菱电机发布了一款尺寸只有3mm见方的PA，可以放大6个波段。设想将其与包络跟踪技术结合使用。组合使用可确保最高效率为40%(图23)。
图23:支持6个频段，确保40%的效率。
三菱电机开发的GaAs PA尺寸只有3mm×3mm×1mm(a)。在1.7g ~ 2 GHz的六个频段内，功率的附加效率最高可达40% (b)。(图片由本刊根据三菱电机的资料制作。)
未来计划配备射频IC。
包络跟踪技术不仅可以得到上述专用控制IC的支持，而且在不久的将来还可以嵌入到射频收发IC中。富士通半导体定于2012年5月初开始供应样品，多模多频射频收发IC“mb86l 11A”配备包络跟踪控制功能。这是业界首款具有包络跟踪控制功能的RF收发器IC。此外，从事智能手机芯片组业务的大型企业，如高通，似乎也在考虑标准技术。
然而，包络跟踪也有问题。由于电源电压的高速切换，信号的失真特性将恶化，相邻通道的泄漏功耗可能增加。作为解决方案，瑞萨电子通过预先使传输信号失真(预失真)来减少恶化，瑞萨电子认为“有必要探索类似的补偿技术”。
提高组件本身的效率。
一些制造商打算通过改善PA组件本身的特性来提高效率，从而降低功耗。例如，2012年2月底，美国RF Micro Devices发布了PA“超高效率PA”，可以将LTE传输的功率附加效率提高到42 ~ 44%左右。
注3)可用于放大W-CDMA的频段1，2，3，4，5，8，LTE的频段4，7，11，13，17，18，20，266。
此外，富士通半导体在2011年底开始供应多频PA，通过使用与富士通研究所共同开发的高耐压晶体管“EBV-Transistor”提高了效率。这是一款采用CMOS工艺设计的PA，可以通过一个封装支持W-CDMA和HSPA使用的三个频段的放大(图24)。据富士通半导体介绍，在高频使用中低输出时，效率非常高。
图24:富士通的CMOS PA支持3个频段。
富士通半导体开发的CMOS PA使用一个芯片来放大频段I (2.1 GHz)、V (850 MHz)和VII (1.7 GHz)中的W-CDMA/HSPA。尺寸为4 mm× 3.5 mm× 0.7 mm。
减少反射波并降低功耗
另外，也有通过引入射频电路的外围技术而不是在PA上下功夫来降低功耗的情况，比如插入隔离器来降低反射波。
隔离器是只传递单向信号的元件。如果在PA和天线之间插入隔离器，可以防止信号从天线侧反向进入。
最近智能手机天线一般都安装在机身侧面，随着用户握持方式的不同，天线阻抗会有很大变化。所以射频发射机会产生阻抗不匹配，导致PA的输出信号作为反射波返回，恶化信噪比。
反射越多，PA的发射功率越大，会导致功耗增加。插入隔离器可以消除反射波，从而降低功耗。
隔离器的使用将导致元件数量的增加。所以大部分海外终端厂商都不愿意采用。然而，开发者预计，随着对降低射频电路功耗的日益关注，海外终端制造商的数量也将增加。例如，隔离器开发企业之一的村田制作所开发了一种PA模块，将PA、滤波器和隔离器(稳定器)集成在一个封装中，并已开始供货(图25)。该公司通过整合缩小了产品规模，并利用这一优势积极向日本国内外的终端厂商推销。