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射頻到底長什么樣?5G的射頻系統有變化嗎?

電子設計 ? 來源:鮮棗課堂 ? 作者:小棗君 ? 2021-03-24 12:02 ? 次閱讀

手機,作為移動互聯網時代的標配,已經走進了我們每個人的生活。有了它,我們可以隨心所欲地聊天、購物、追劇,享受美好的人生。

正因為手機如此重要,所以人們對相關技術的發展十分關注。每當有新品發布,媒體會進行長篇累牘的報道,社交網絡上也會掀起熱烈的討論。

然而,人們對手機的關注,往往集中在CPU、GPU、基帶、屏幕、攝像頭上。有那么一個特殊的部件,對手機來說極為重要,卻很少有人留意。

是哪個部件呢?沒錯,它就是我們今天文章的主角——射頻

什么是射頻

射頻,英文名是Radio Frequency,也就是大家熟悉的RF。從字面上來說,Radio Frequency是無線電頻率的意思。射頻信號,則特指頻率范圍在300KHz~300GHz的無線電磁波。

大家都知道,手機之所以能夠和基站進行通信,靠的就是互相收發無線電磁波。

手機里專門負責收發無線電磁波的一系列電路、芯片、元器件等,被統稱為射頻系統,簡稱“射頻”(下同)。

射頻和基帶,是手機實現通信功能的基石。如果我們把手機與外界的通信看作是一項“快遞服務”,那么,基帶的職責是對數據進行“打包/拆包”。而射頻的職責,則是將“包裹”通過指定的無線電頻段發射出去/接收下來。

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示意圖:左邊是基帶,右邊是射頻

射頻到底長什么樣?下面這張,是某品牌手機的主電路板正反面布局圖。

(圖片來自ABI Research)

圖中,黃色圈出的部分,全部屬于射頻??梢钥闯?,射頻元件在手機構造中,占據了不小的比例。

從架構上來看,一套完整的射頻系統包括射頻收發器、射頻前端、天線三個部分。射頻前端又包括功率放大器、包絡追蹤器、低噪聲放大器濾波器、天線開關、天線調諧器等多個組件。

射頻的架構

射頻前端各個組件的作用并不復雜。例如,放大器,就是把信號放大,讓信號傳得更遠;濾波器,是把雜波去掉,讓信號更 “純凈”;天線開關,用于控制天線的啟用與關閉;天線調諧器,主要作用是“擺弄”天線,獲得最好的收發效果……

數量眾多的射頻組件,相互配合,分工協作,就是為了完成“臨門一腳”,把基帶打包好的數據,“biu~biu~biu~”地發射出去。

如果射頻設計不合理,元器件性能落后,那么,將直接影響手機的無線信號收發能力,進而影響手機的通信能力。具體表現出來,就是無線信號差,通信距離短,網絡速率慢,等等。

換言之,手機的射頻能力不行,就好比汽車的動力不足,就算其它功能再花哨,也無法被用戶所接受。

所以,手機廠商在研發設計手機時,通常都會在射頻方面下足功夫,反復推敲并進行測試驗證,才敢推出最終產品。

5G射頻的挑戰

如今,我們昂首邁入了5G時代。相比傳統4G,5G的射頻系統有變化嗎?

答案是肯定的。不僅有變化,而且是巨變。

5G相比4G,在性能指標上有了大幅的提升。5G的eMBB(增強型移動寬帶)場景,將手機速率提升至千兆級甚至萬兆級,分別是早期LTE速率(100Mbps)的10倍/100倍。

2G/3G/4G,加上5G,加上MIMO(多天線技術),加上雙卡雙待,手機的天線數量和支持頻段翻倍增加。4G早期只有不到20個頻段組合。相比之下,5G有超過10000個頻段組合,復雜性堪稱恐怖。

與此同時,為了確保用戶愿意升(tāo)級(qián),5G手機的厚度和重量不能增加,功耗不能增加,待機時長不能減少。

換做你是手機廠商,你會不會抓狂?

所以說,5G手機的射頻,必須重塑自我,大力出奇跡搞創新。

到底該如何解決射頻系統的設計難題呢?高通提出了一個宏觀的思路,直接提供“完整的調制解調器及射頻系統”。通俗理解,就是把基帶、射頻收發器、射頻前端、天線模組、軟件框架等,全部都做好,給廠商一套完整的方案。

也就是說,5G手機等終端元器件設計的理念,必須摒棄以往“東市買駿馬,西市買鞍韉,南市買轡頭,北市買長鞭”專注于單個元件的思路,轉而采用“打包設計”的一體化系統級解決方案。

例如,以前是A廠造基帶,B廠造射頻,C廠造天線,然后手機D廠自己搗鼓如何整合和對接?,F在,改成有實力的大廠直接把基帶、射頻和天線等一起打包設計好,然后交給手機廠商,拿了就能快速使用。

系統級集成,是5G基帶和射頻復雜度大幅提升的必然結果。

這就好比是火車。以前綠皮車的車速慢,車廂和車頭可以分開設計、制造,然后拼在一起運行。但是,到了高鐵時代,速度指標翻倍,如果繼續分開設計、制造,車廂和車頭不能深度協同,不僅速度指標難以實現,還可能出現安全問題。

所以,高鐵的動車組,通常都是統一設計和制造的。

也就是說,面對前面提及的苛刻5G指標,需要站在系統級集成的角度,對基帶和射頻進行整體設計。這樣一來,才能讓兩者實現完美的軟硬件協同,發揮最佳性能(吞吐率、覆蓋范圍等)。

除了達成指標之外,整合設計也有利于縮減系統的最終尺寸,減少對手機空間的占用。對于系統功耗和散熱控制來說,整合設計也有明顯優勢。

最后一點,也是很重要的一點,提供系統級整合方案,可以降低手機廠商的設計難度,方便他們以更快的速度推出產品,搶占市場。

5G射頻的黑科技

我們來具體看看,系統級集成的5G射頻,到底有哪些有趣的黑科技。

首先,第一個黑科技,就是寬帶包絡追蹤。

前面介紹射頻架構的時候,里面就有一個功率追蹤器。功率追蹤器是配合功率放大器使用的。

功率放大器是射頻的核心元件,它就像一個喇叭,把小聲音(信號)變成大聲音(信號)。

想要把喇叭吹響,肯定需要鼓足力氣(電源供電)。功率追蹤器的作用,就是控制吹喇叭的力度(功率)。

傳統的吹法,是APT法,也就是平均功率追蹤。某一時間段內,吹的力量保持不變。

而寬帶包絡追蹤(ET)技術,可以精確地控制力量。也就是說,基帶(調制解調器)可以根據信號的變化,控制射頻里的包絡追蹤器,進而精準控制無線信號的發射功率。

包絡追蹤的虛耗電量明顯小于傳統平均功率追蹤(圖片來自高通)

這樣一來,體力(能量)大幅節約了,射頻的功耗也就下降了,手機的待機時間得以增加。

精準的發射功率控制,幫助手機獲得最佳的信號發射效率,從而獲得更好的信道質量。在手機與基站“雙向溝通”過程中,當手機獲得更好的信道質量時,基站就能支持手機實現更優的上下行業務,例如支持2×2 MIMO,網速更加絲滑。此外,更好的信道質量,也為基站側給手機分配更高階的調制方式(例如256QAM)創造了條件,可以提升手機吞吐率,支持更快更優的數據傳輸業務。

高通此前發布的幾代驍龍5G調制解調器及射頻系統集成的寬帶包絡追蹤器,就已經采用了上述技術。而其最新的寬帶包絡追蹤器QET7100,與目前市場上其它廠商提供的最先進產品相比,能效提升了30%。

我們介紹的第二個黑科技,就是AI輔助信號增強技術。

這個技術是2月份剛推出的驍龍X65 5G調制解調器及射頻系統中最新發布的新技術,也是行業里首次將大熱的AI技術引入手機射頻系統,用于增強信號。

AI輔助信號增強技術的核心,就是將AI技術引入天線調諧系統。天線調諧分為兩種方式,一個是阻抗匹配,另一個是孔徑調諧。

我們先看看阻抗匹配。

所謂阻抗匹配,我們可以理解為是一種“接水管”的工作。

射頻系統元件與天線之間對接,就像兩根水管對接。當阻抗一致時,就是位置完美對應,這時水流最大,信號的效率最高。如果元件的阻抗發生偏移,那么水管就歪了,水流就小了,一部分水流也浪費了。

導致阻抗變化的原因很多,例如手的觸碰,還有插接數據線、安裝手機殼等。即便是不同的持握手勢(左手、右手、單手、雙手),也會帶來不同的阻抗。

傳統的阻抗匹配做法,就是在實驗室對各種造成阻抗變化的原因進行測試,找到天線特征值,然后通過調制解調器控制射頻元件進行阻抗調節,讓接水管盡可能對準送水管。

而AI輔助信號增強技術,就是引入AI算法,對各種阻抗變化原因的天線特征值進行大數據分析和機器學習,實現對阻抗的智能調節,達到最完美的匹配效果。

說白了,就有點像在送水管和接水管之間,安裝了一根對接軟管,讓水流盡可能不浪費。

AI輔助信號增強,相當于射頻和天線間的對接軟管

孔徑調諧相對來說較為簡單,就是調節天線的電長度。

從輻射學的角度來說,天線的完美長度應該是波長的四分之一?,F在的手機,因為全網通、雙卡雙待等原因,移動通信系統的工作頻率是動態變化的。例如,有時候工作在2.6GHz,有時候工作在3.5GHz。

工作頻率如果變化,意味著最佳波長也變化了。所以,需要對天線進行孔徑調諧,調節天線的長度,拉長波峰,以此達到最佳效果。

總而言之,以阻抗匹配和孔徑調諧為基礎的天線調諧技術,主要作用是克服外部環境對天線信號的影響,對信號進行動態調節,改善用戶體驗。

根據實際驗證,憑借著AI輔助信號增強技術,系統的情境感知準確性可以提升30%,能夠明顯降低通話掉線率,提升速率、覆蓋和續航。

結語

5G射頻系統的創新黑科技還有很多,例如多載波優化、去耦調諧、多SIM卡增強并發等。這些黑科技全部都是技術創新的成果。它們凝結了工程師們的智慧,也為5G終端的順利推出奠定了基礎。

如今的5G射頻,已不再是基帶的輔助,而是能夠和基帶平起平坐、相輔相成的重要手機組件。

隨著5G網絡建設的不斷深入,除了手機通信之外,越來越多的5G垂直行業應用場景也開始落地開花。5G終端的形態將會變得五花八門,更大的考驗將會擺在5G射頻前端的面前。

編輯:hfy

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