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盡管有聲音說近年來手機革命性變革已不多，但仍然有廠商的突破讓人眼前一亮。 近日，在榮耀Magic5系列手機的發布會上，榮耀CEO趙明表示：“Magic5 Pro和至臻版搭載自研、業界首顆射頻增強芯片C1，實現對多個傳統信號弱勢場景的全面優化”[1]。從發布會信息看，Magic5 Pro手機抓住了出電梯后快速回網、地庫弱信號增強等痛點場景進行優化，給用戶帶來良好的5G信號體驗。榮耀對于射頻性能的關注，使大家重新審視“通信”這個手機里本該最基本的功能。 雖然智能手機是以無線通信技術為基礎的智能設備，但通信技術往往只是“背后英雄”。
華為、vivo、OPPO、小米等廠商都發布過射頻信號優化技術，不過相比于看起來高高在上的射頻技術，讓用戶更愿意為之買單的，可能還是那顆幾nm工藝的CPU。 ? 從榮耀的新機發布看，手機廠商好像找到了更好的優化方法：與其堆砌用戶聽不懂的高深技術，還不如在用戶使用的場景中做增強和優化，切實改善用戶使用體驗。 在用戶的這些體驗中，“連網不掉線”無疑是最重要的體驗之一。于是，我們就圍繞“射頻增強”這一話題，談談有什么思路可以實現“射頻增強”。 ?
?無線通信的“鏈路”?
在分析無線射頻信號時，通常采用“鏈路預算（Link Budget）”的方式來計算鏈路中各路徑的損耗及各節點的信號強度。無線通信的“鏈路”是指無線信號傳輸過程互相連接的各段路徑。 ?
在手機到基站的通信過程中，射頻信號主要通過以下路徑：
手機中收發機發出的射頻信號被功率放大器放大，并通過濾波器、天線開關等通路損耗后，在手機天線測試口達到協議所規定的傳導功率；
傳導信號經過天線損耗后，經天線輻射發出；
手機發出的信號經過一定的空間距離后，到達基站天線處；
由于基站天線可提供一定的定向增益，所以信號等效被天線增益所放大，形成基站側傳導功率；
傳導功率再經過一定的路徑損耗后，進入基站接收通路進行處理。
以上路徑可以用下圖表示。
圖1：手機發射信號被基站所接收的通信鏈路示意圖 ? 在以上路徑中，傳導功率一般為定值。所以若需要在手機側做改進，改善輻射功率，從而改善進入基站的接收信號強度，就需要減少線路損耗及天線損耗。 ? ? 同理，手機作為接收、基站作為發射有相類似的傳輸路徑。在基站到手機的通信過程中，射頻信號主要通過以下路徑：
基站中收發機的功率經過功率放大、路線損耗，進入基站天線；
基站天線提供定向的增益，將信號等效在特定方向輻射，達到EIRP（等效全向輻射功率）指標；
信號經過空間路徑損耗，被手機天線獲??；
手機天線一般不能提供定向增益，信號經天線接收損耗后成為傳導功率；
傳導功率經過一定的路徑損耗后，進入手機接收通路進行處理。
以上路徑可以用下圖表示。
圖2：基站發射信號被手機所接收的通信鏈路示意圖
在以上路徑中，基站所發出的EIRP功率，及終端所接收的信號強度功率是手機接收路徑的兩個主要功率值。在基站EIRP指標確定、路徑距離確定的情況下，可通過減少天線損耗、線路損耗，來增強終端接收信號強度。
以上為手機與基站通信時的基本路徑。雖然在實際應用中，會有多個頻段和模式同時工作、5G/4G/3G不同模式對接收信號強度需求不同等具體實現和計算，但傳輸路徑與上述過程基本相同。
“信號增強”?的方法?
了解了以上鏈路，就可以針對性的做“信號增強”。以手機角度考慮，在信號增強的處理中，主要分為以下三種處理方式：
發射信號增強
接收信號增強
傳輸匹配增強
?發射信號增強?
觀察圖1所示手機發射路徑，手機在發射時，傳導功率與輻射功率是兩個重要的功率指標。 ? 傳導功率通常是指，將手機發射功率直接接入儀表這種方式得到的功率值，目的是了解手機發射功率的能力。由于傳導測試通路穩定，所以指標清晰，3GPP等協議組織所發布的眾多指標也是以傳導測試方法作為標準。 ? 輻射功率是指手機在接入天線之后，向外輻射的功率大小。輻射功率測試更接近于實際使用環境，但由于測試受天線設計、天線阻抗的影響較大，同時，影響輻射功率測試準確度的因素也比較多，比如測試環境中的探頭補償，轉臺精度，暗室吸波材料質量等，這些都導致輻射功率的測試實現起來更加復雜。 ?
圖3：傳導和輻射測試 既然傳導功率和輻射功率是影響手機發射信號的兩個重要指標，那如何才能增強這兩個功率的大小呢？
傳導功率的增強
雖然傳導功率提升會對手機發射信號的傳輸距離有直接的提升，但由于功率提升會帶來對人體的輻射、對其他通信設備的干擾等問題，協議一般對手機的傳導功率進行嚴格的限制。 ? 以5G手機為例，3GPP規定手機有PC3、PC2、PC1功率，PC為Power Class的縮寫。下表為3GPP協議中對不同頻段可以發射的功率等級，及這些功率等級的功率定義[2]。
圖4：3GPP規定的5G手機發射的功率值 ?
以中國三大運營商均推薦支持的n3頻段為例，此頻段手機發射的傳導功率在23dBm，容限是+/- 2dB，即此頻段手機傳導功率需要限制在21~25dBm之間，想發射更大的功率是不可能的。所以，是沒辦法通過大幅度的提升傳導功率，來讓手機的發射信號變得更強的。 ? 不過，即使是3GPP所定義的功率范圍，也是有容限的。比如在上表中，大部分頻段的上下限之間差別在4dB。以3dB就是功率差一倍簡單估計，同樣是PC3功率，靠近上限的手機是靠近下限的手機發射功率的兩倍，也是一個較為可觀的值了。
但手機發射大功率需要較大的電流支撐，這對電池是一個壓力。對于手機廠商來說，不得不在強信號和長待機時間做個折衷。射頻器件供應商開發的高效率PA可以來解決這個折衷問題。高效率PA可以在足夠小的電流下，發射出足夠大的功率來，從而使手機發射功率可以更加靠近于協議上限，發射性能得以增強。
另外，優化路徑損耗，可以減小PA到傳導天線測試口之間損失的能量，同樣可以在電流限定的情況下，使傳導能量有所增加。
輻射功率的增強
輻射功率是手機中的重要性能參數，決定了真實場景下手機的通信能力，所以移動終端廠商、運營商以及某些強制認證中都會著重要求此指標能力。 ? 輻射功率的重要衡量參數是TRP（Total Radiated Power，全向輻射功率），TRP的計算為傳導功率乘以天線輻射效率
，計算公式為：
當傳導功率一定時，輻射功率主要由天線效率決定。
隨著5G手機支持頻段越來越多，并且隨著屏幕面積的進一步縮小，天線的輻射效率也受到明顯影響。下圖為Qorvo展示的5G手機天線輻射效率仿真，可以看到，隨著天線與地之間凈空距離由12mm降低到5mm，天線輻射效率的峰值也從85%降低到35%，輻射能量減少到原來的一半。在當前5G手機中，天線凈空基本已經到5mm以下，給天線設計提出了巨大挑戰，同時也影響到手機輻射功率性能。
圖5：天線輻射效率與天線凈空的關系
另外，天線帶寬的增加，也會引起天線效率的降低。為了保障天線輻射效率，天線設計一般會將頻段分組進行支持。根據《5G移動終端天線設計》所述，典型的天線設計分組如下圖所示[4]，采用7天線的方式，進行5G全頻段的支持：
圖6：經過合并之后的天線分組
為了進一步增強手機輻射功率性能，還可以對天線進一步拆分，使每個天線性能在較窄的頻段內優化。不過會帶來成本及手機布局壓力的增加。在2019年華為發布的Mate 30 Pro手機中，天線進行了更細的拆分，采用14根天線對5G信號進行支持[5]。
圖7：2019年華為Mate 30 Pro手機中的天線設計 ? 在天線凈空受限、天線數量受限的情況下，天線輻射效率將受到影響。為了增強天線輻射性能，可以增加調諧器件，如天線Tuner，以使天線性能可以根據頻率和應用場景做針對性的優化，以增強輻射功率性能[4]。有關天線Tuner的設計考慮在第三節的“傳輸匹配”增強中與其他調諧方式共同討論。
?接收信號增強
? ? 在如圖2所示手機接收鏈路中，基站EIRP和傳輸距離一定時，到手機天線口的無線信號功率也確定。于是，增強手機接收能力的方式主要就剩下減少天線損耗，及減少線路損耗。 ? 由于天線收發的對稱性，接收通路減少天線損耗的方式與發射側相同。減少線路損耗的方式也是盡量縮短接收天線至接收電路之間的距離，減少損耗性器件的數量。以上兩個考慮與前一節發射通路的考慮相同，在此不再贅述。 ? 在接收信號增強中，還有一個重要考慮，就是減小其他干擾信號對接收信號的影響。在干擾信號中，“白噪聲”和其他頻段的干擾噪聲是主要的干擾源。以下分別對二者進行討論。
“白噪聲”的處理
白噪聲是由電子熱震動引起的，在自然界無處不在，是不能夠被消除的噪聲。白噪聲的存在決定了系統通信能力的上限。在室溫環境中，白噪聲的功率譜密度約為-174dBm/Hz。 ? 由于白噪聲的存在，有用信號需要盡可能的遠離白噪聲噪底，這樣接收電路才可以盡可能的將信號分辨出來。為了表征信號強度距離噪底的大小，SNR（信噪比，Signal Noise Ratio）被引入進來。SNR的計算方式是信號強度除以噪聲強度。SNR是通信中的重要指標，根據通信中基本香農定理的計算，信道的通信容量和SNR成正比。
圖8：SNR的定義 ?
在手機接收信號時，尤其在距離基站較遠場景下，接收信號經過長途跋涉，到達手機時已經非常小，甚至接近噪底。這時就需要注意在處理時盡量不再引入額外的噪聲，保持已經微弱的信噪比SNR不再受到破壞。
圖9：經過長途跋涉，手機接收到的信號已經非常微弱
在放大過程中，盡量保持SNR不受破壞的方式就是引入“LNA”，低噪聲放大器（Low Noise Amplifier）。 ? 低噪聲放大器并不是將噪聲減小，事實上，放大器并沒有辦法區分信號和噪聲，二者會同時被放大。低噪聲放大器在放大過程中盡量的不去引入額外的噪聲，盡量少的破壞信號與噪聲之間的比值。低噪聲放大器與普通放大器對信號的放大效果如下圖所示。低噪聲放大器引入的信噪比惡化要遠小于普通放大器。
圖10：LNA與普通放大器對微弱信號的處理效果
為了表征放大器對SNR惡化的程度，噪聲系數指標被提了出來。噪聲系數的定義是進入放大器的SNR，除以經過放大器后輸出的SNR。噪聲系數越大，說明信號SNR被破壞的越多。
噪聲系數是接收信號增強中重要考慮的指標，對噪聲系數的優化和控制，有助于增強手機的接收能力。
“干擾噪聲”的處理
除了白噪聲外，通信系統中還有其他各種干擾，這些干擾一定要被仔細處理或屏蔽，否則也會對接收信號造成干擾，影響手機的接收性能。
圖11：現實生活中干擾信號無處不在
在干擾信號中，有一類干擾信號非常特殊，即FDD（頻分雙工）系統中手機自己的發射信號。
FDD是3G時代通信的主流制式，到了4G和5G時代仍然是手機中重要通信模式。FDD模式工作下，發射信號和接收信號同時工作在不同的頻率上，相互不需要時間切換，信號傳輸速率高。 ? 但FDD也有一個重要缺點，就是一定要處理好發射信號對接收信號的干擾。由于發射信號是大功率信號，通常伴有強烈的接收頻段干擾噪聲。而接收信號通常較小，如果與發射信號之間的隔離沒有做好，則非常容易引起Desense（接收靈敏度惡化）。 ? 在系統路徑中，一般通過雙工器來進行發射與接收頻段間的噪聲濾除。濾除過程如下圖所示。
? 圖12：FDD系統中，對發射噪聲的處理
以上路徑為信號主要的傳輸路徑，在其他路徑傳輸時，發射通路與接收通路之間的隔離應優于以上路徑。否則發射信號就會從其他路徑干擾到接收信號，以上濾波特性將不起作用。 ? 除了發射噪聲直接進入接收信號頻段外，還有可能發生交調干擾，即同時在發射的兩個或多個大功率信號，經過交調之后處于接收頻段，影響接收性能。交調干擾分析更為復雜，需要具體問題具體分析，保障接收信號不被干擾。 ? 嚴格來說對接收信號所做的以上防干擾處理，只能算是保障接收信號不被惡化。不過由于當前手機系統相當復雜，在方寸之間有全球的頻段和多種制式，保障接收信號完全不被干擾并不是容易的事。不斷的將信號解耦，盡量讓接收信號受干擾的場景少出現，也算是在為接收信號的“增強”做的努力。
? ?傳輸匹配增強?
射頻阻抗的窄帶特性
盡管理想的射頻系統是各界面間均為50 Ohm，此時，信號可以達到沒有反射的向前傳輸。但這一理想目標在手機中較難取得，主要原因是： ?
手機需要支持的頻段從0.6GHz一直到6GHz，很難有射頻器件在這么寬的范圍內始終保持50 Ohm；
雖然可以用區分頻段的方式，用劃分子頻段支持的方式分而治之，但受限于手機面積，仍然有器件（如天線）需要在較寬頻范圍內復用；
人手持握等外部環境對天線阻抗影響極大，造成內部器件的負載阻抗始終在不斷變化中。
阻抗失配帶來的影響
阻抗失配會帶來傳輸效率的損失。以50 Ohm的源向50 Ohm的負載傳輸效率定為100%計算，當負載阻抗由5 Ohm變化至500 Ohm時，傳輸效率的變化如下圖所示。
圖13：負載阻抗變化時傳輸效率的變化
可以看到，當負載阻抗變化時100 Ohm時，只有89%的功率有效傳輸，剩下的11%功率被界面反射，當負載阻抗變化至200 Ohm，傳輸效率降低至64%。當負載阻抗由50 Ohm向低阻變化時，傳輸效率同樣變低。 ? 阻抗變化除了會引起傳輸效率的在惡化外，還會惡化通信系統中子電路的性能。如《5G射頻PA的load-line與load-pull》中提到，PA輸出特性與輸出負載相關，當負載阻抗偏離最優阻抗點時，射頻PA的輸出功率、線性度等指標都會惡化。
圖14：PA的最優負載load-pull示意圖
收斂阻抗，增強傳輸
既然阻抗不匹配對射頻傳輸有明顯影響，那是否有辦法改變阻抗匹配特性呢？答案是有的，天線調諧、匹配調諧就是其中的代表。
天線調諧器：主動調整天線阻抗
由于天線阻抗無法在較寬的范圍內控制在50 Ohm，那可以在天線處放置一個阻抗調諧器（Antenna Tuner），動態的根據頻率變化、天線外部環境變化來調整天線特性，盡可能的達到匹配的狀態，使失配狀態下的信號得到增強。 ? 天線調諧器有兩種設計方法，分別為阻抗調諧（Impedance Tuner）和孔徑調諧（Aperture Tuner）。 ? 天線阻抗調諧器放置于天線和射頻前端芯片之間，是一個可以根據狀態調整的匹配電路，根據天線阻抗的不同，匹配電路可以調整至不同狀態，保持左右兩邊的阻抗匹配。
圖15：阻抗調諧天線Tuner放置的位置，及實現示例
天線孔徑調諧器是利用調諧器件，改變天線的諧振特性，以達到天線阻抗及輻射效率隨頻率變化?？讖秸{諧一般放置在天線結構以內，直接對天線特性進行調整，在天線效率調整上有更大的調整范圍。
圖16：孔徑調諧天線Tuner放置的位置，及實現示例
在傳導功率被協議限制的情況下，合理設計天線Tuner就可以實現天線輻射效率的明顯提升，達到射頻增強的目的。下圖為Qorvo所展示的某孔徑調諧Tuner效果[6]。通過調諧，850MHz的效率由基線版本中的-3.5dB左右，提升至-1.2dB；810MHz的效率由基線版本的-11dB，提升至-2dB，提升效果達9dB。以3dB為兩倍來估算，810MHz的輻射效率提升了8倍之多，可見增強效果的明顯。
? 圖17：Qorvo公司展示的某孔徑調諧Tuner調諧效果
天線調諧器對于天線阻抗的調節，必須是基于天線場景做的針對性調節，所以天線信息的獲取就變得尤其重要。根據獲取天線信息的不同，天線調諧器在使用中分為開環控制和閉環控制兩種方式。
圖18：天線調諧器的兩種控制方式
開環控制是將天線調諧控制參數預先寫入，在使用時直接調用。比如預先根據工作頻率的不同，設置不同的匹配參數等。開環控制的好處是控制簡單，只需要預先寫入一定參數，在后續使用中就可以調用這個確定性的信息。其缺點是無法根據使用場景的不同重新優化，調節場景也限定在預先寫入的幾個狀態范圍之內。 ? 閉環控制是構建控制環路，實時檢測天線信息，根據算法計算出當前需要的匹配及天線狀態后，直接控制天線控制器進行實現。閉環控制的優點是控制場景覆蓋廣泛，性能優化更明顯。缺點是控制復雜，需要閉環算法進行計算。 ? 在當前使用中，各手機平臺對于天線Tuner的開環控制已經有了較好的支持，預留了相應的控制接口。但天線Tuner的閉環控制需要天線控制器和平臺做深入的聯動設計，在應用中還是有很大的挑戰。 ? 下圖為采用閉環控制算法實現的天線Tuner調諧效果[7]，可以看到，不使用天線調諧的情況下，手機輸出功率在25dBm到31.5dBm進行波動。而使用了閉環控制的天線調諧器后，功率的波動范圍縮小到29dBm至31dBm之間。天線性能的穩定性得到了明顯的提升，多種場景下發射信號得到了明顯的增強。 ?
圖19：閉環天線調諧對于射頻發射信號的增強
匹配調諧：保證通路始終匹配
與天線匹配調節的思路類似，還可以在不同電路模塊之間加入匹配調諧網絡，實現可以隨狀態配置的匹配網絡。
圖20：包含阻抗匹配調諧網絡的射頻前端系統
所開發的AgiPAM系列射頻前端系統中，就采用了阻抗匹配調諧網絡技術，通過匹配網絡的調諧配置，慧智微射頻前端產品可以在較寬的頻率范圍內實現性能窄帶優化，增強射頻性能。
圖21：慧智微可重構射頻前端設計理念
慧智微自2011年投入進行射頻前端可重構技術平臺的研究，并于2014年開發出世界首款商用可重構射頻前端技術平臺AgiPAM，經過近10年的迭代發展，目前可重構技術平臺已發展至第四代，實現包含4G/5G產品在內的數億片產品出貨。 ? 在具體產品實現上，基于AgiPAM 3.0技術平臺實現的5G Phase5N多頻多模PA模組產品S55643，通過阻抗匹配調諧和PA性能調諧，可實現n7、n40（PC2）、n41（PC2）等高頻關鍵頻段優化。實測結果顯示，S55643系列產品可實現電流13~28%的降低。
圖22：傳統Phase5N產品與基于可重構射頻前端技術產品S55643-x對比
與天線調諧類似，阻抗匹配調諧也需要根據應用場景進行配置?；壑俏giPAM平臺目前采用開環的方式對阻抗匹配調諧進行控制。進入AgiPAM 5.0后，慧智微期待與平臺及終端客戶深入合作，實現與應用場景結合更緊密的射頻性能優化，實現手機射頻性能的繼續增強。
圖23：AgiPAM系列產品路線圖
??總 結??
近年來，因為手機年出貨量的飽和，以及芯片供應商的增加，“卷”字成為手機行業的主題。隨之而來的就是成本導向，價格雪崩，整個行業陷入不健康競爭。 ? 用戶不愿意為高價產品買單的原因，還是因為產品無法提供解決差異化的價值。如果用戶的痛點得以解決，產品是可以賣出溢價的。 ? 具體到射頻前端芯片行業，可能的研究方向有：
用戶關心的信號問題，可以通過優化射頻前端性能、干擾，甚至采用新的天線方案、系統架構來進一步增強；
用戶關心的功耗問題，可以通過高效率的PA內核，與平臺DPD的配合等技術來優化；
用戶關心的手機厚度問題，可以通過自屏蔽技術，減少額外屏蔽罩的應用來解決。
以上問題解決起來并不容易，需要大量投入與長期積累，但卻是形成差異化價值的必經之路。 編輯：黃飛
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工商網監
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