[技术前沿]手机“射频增强”的技术方案

手机“射频增强”的技术方案

近日，在荣耀Magic5系列手机的发布会上，荣耀CEO赵明表示：“Magic5 Pro和至臻版搭载自研、业界首颗射频增强芯片C1，实现对多个传统信号弱势场景的全面优化”[1]。从发布会信息看，Magic5 Pro手机抓住了出电梯后快速回网、地库弱信号增强等痛点场景进行优化，给用户带来良好的5G信号体验。荣耀对于射频性能的关注，使大家重新审视“通信”这个手机里本该最基本的功能。

虽然智能手机是以无线通信技术为基础的智能设备，但通信技术往往只是“背后英雄”。华为、vivo、OPPO、小米等厂商都发布过射频信号优化技术，不过相比于看起来高高在上的射频技    术，让用户更愿意为之买单的，可能还是那颗几nm工艺的CPU。

从荣耀的新机发布看，手机厂商好像找到了更好的优化方法：与其堆砌用户听不懂的高深技术，还不如在用户使用的场景中做增强和优化，切实改善用户使用体验。

在用户的这些体验中，“连网不掉线”无疑是最重要的体验之一。于是，我们就围绕“射频增强”这一话题，谈谈有什么思路可以实现“射频增强”。

 无线通信的“链路” 

在分析无线射频信号时，通常采用“链路预算（Link Budget）”的方式来计算链路中各路径的损耗及各节点的信号强度。无线通信的“链路”是指无线信号传输过程互相连接的各段路径。

在手机到基站的通信过程中，射频信号主要通过以下路径：

    1.手机中收发机发出的射频信号被功率放大器放大，并通过滤波器、天线开关等通路损耗后，在手机天线测试口达到协议所规定的传导功率；

    2.传导信号经过天线损耗后，经天线辐射发出；

    3.手机发出的信号经过一定的空间距离后，到达基站天线处；

    4.由于基站天线可提供一定的定向增益，所以信号等效被天线增益所放大，形成基站侧传导功率；

    5.传导功率再经过一定的路径损耗后，进入基站接收通路进行处理。

以上路径可以用下图表示。

图1：手机发射信号被基站所接收的通信链路示意图

在以上路径中，传导功率一般为定值。所以若需要在手机侧做改进，改善辐射功率，从而改善进入基站的接收信号强度，就需要减少线路损耗及天线损耗。

同理，手机作为接收、基站作为发射有相类似的传输路径。在基站到手机的通信过程中，射频信号主要通过以下路径：

    1.基站中收发机的功率经过功率放大、路线损耗，进入基站天线；

    2.基站天线提供定向的增益，将信号等效在特定方向辐射，达到EIRP（等效全向辐射功率）指标；

    3.信号经过空间路径损耗，被手机天线获取；

    4.手机天线一般不能提供定向增益，信号经天线接收损耗后成为传导功率；

    5.传导功率经过一定的路径损耗后，进入手机接收通路进行处理。

以上路径可以用下图表示。

图2：基站发射信号被手机所接收的通信链路示意图

在以上路径中，基站所发出的EIRP功率，及终端所接收的信号强度功率是手机接收路径的两个主要功率值。在基站EIRP指标确定、路径距离确定的情况下，可通过减少天线损耗、线路损耗，来增强终端接收信号强度。

以上为手机与基站通信时的基本路径。虽然在实际应用中，会有多个频段和模式同时工作、5G/4G/3G不同模式对接收信号强度需求不同等具体实现和计算，但传输路径与上述过程基本相同。
“信号增强” 的方法  

了解了以上链路，就可以针对性的做“信号增强”。以手机角度考虑，在信号增强的处理中，主要分为以下三种处理方式：

    1.发射信号增强

    2.接收信号增强

    3.传输匹配增强

 发射信号增强 

观察图1所示手机发射路径，手机在发射时，传导功率与辐射功率是两个重要的功率指标。

传导功率通常是指，将手机发射功率直接接入仪表这种方式得到的功率值，目的是了解手机发射功率的能力。由于传导测试通路稳定，所以指标清晰，3GPP等协议组织所发布的众多指标也是以传导测试方法作为标准。

辐射功率是指手机在接入天线之后，向外辐射的功率大小。辐射功率测试更接近于实际使用环境，但由于测试受天线设计、天线阻抗的影响较大，同时，影响辐射功率测试准确度的因素也比较多，比如测试环境中的探头补偿，转台精度，暗室吸波材料质量等，这些都导致辐射功率的测试实现起来更加复杂。

图3：传导和辐射测试

既然传导功率和辐射功率是影响手机发射信号的两个重要指标，那如何才能增强这两个功率的大小呢？

传导功率的增强

虽然传导功率提升会对手机发射信号的传输距离有直接的提升，但由于功率提升会带来对人体的辐射、对其他通信设备的干扰等问题，协议一般对手机的传导功率进行严格的限制。

以5G手机为例，3GPP规定手机有PC3、PC2、PC1功率，PC为Power Class的缩写。下表为3GPP协议中对不同频段可以发射的功率等级，及这些功率等级的功率定义[2]。

图4：3GPP规定的5G手机发射的功率值

以中国三大运营商均推荐支持的n3频段为例，此频段手机发射的传导功率在23dBm，容限是+/- 2dB，即此频段手机传导功率需要限制在21~25dBm之间，想发射更大的功率是不可能的。所以，是没办法通过大幅度的提升传导功率，来让手机的发射信号变得更强的。

不过，即使是3GPP所定义的功率范围，也是有容限的。比如在上表中，大部分频段的上下限之间差别在4dB。以3dB就是功率差一倍简单估计，同样是PC3功率，靠近上限的手机是靠近下限的手机发射功率的两倍，也是一个较为可观的值了。

但手机发射大功率需要较大的电流支撑，这对电池是一个压力。对于手机厂商来说，不得不在强信号和长待机时间做个折衷。射频器件供应商开发的高效率PA可以来解决这个折衷问题。高效率PA可以在足够小的电流下，发射出足够大的功率来，从而使手机发射功率可以更加靠近于协议上限，发射性能得以增强。

另外，优化路径损耗，可以减小PA到传导天线测试口之间损失的能量，同样可以在电流限定的情况下，使传导能量有所增加。

辐射功率的增强

辐射功率是手机中的重要性能参数，决定了真实场景下手机的通信能力，所以移动终端厂商、运营商以及某些强制认证中都会着重要求此指标能力。

辐射功率的重要衡量参数是TRP（Total Radiated Power，全向辐射功率），TRP的计算为传导功率乘以天线辐射效率

，计算公式为：

当传导功率一定时，辐射功率主要由天线效率决定。

随着5G手机支持频段越来越多，并且随着屏幕面积的进一步缩小，天线的辐射效率也受到明显影响。下图为Qorvo展示的5G手机天线辐射效率仿真，可以看到，随着天线与地之间净空距离由12mm降低到5mm，天线辐射效率的峰值也从85%降低到35%，辐射能量减少到原来的一半。在当前5G手机中，天线净空基本已经到5mm以下，给天线设计提出了巨大挑战，同时也影响到手机辐射功率性能。

图5：天线辐射效率与天线净空的关系

另外，天线带宽的增加，也会引起天线效率的降低。为了保障天线辐射效率，天线设计一般会将频段分组进行支持。根据《5G移动终端天线设计》所述，典型的天线设计分组如下图所示[4]，采用7天线的方式，进行5G全频段的支持：

图6：经过合并之后的天线分组

为了进一步增强手机辐射功率性能，还可以对天线进一步拆分，使每个天线性能在较窄的频段内优化。不过会带来成本及手机布局压力的增加。在2019年华为发布的Mate 30 Pro手机中，天线进行了更细的拆分，采用14根天线对5G信号进行支持[5]。

图7：2019年华为Mate 30 Pro手机中的天线设计

在天线净空受限、天线数量受限的情况下，天线辐射效率将受到影响。为了增强天线辐射性能，可以增加调谐器件，如天线Tuner，以使天线性能可以根据频率和应用场景做针对性的优化，以增强辐射功率性能[4]。有关天线Tuner的设计考虑在第三节的“传输匹配”增强中与其他调谐方式共同讨论。
接收信号增强 

在如图2所示手机接收链路中，基站EIRP和传输距离一定时，到手机天线口的无线信号功率也确定。于是，增强手机接收能力的方式主要就剩下减少天线损耗，及减少线路损耗。

由于天线收发的对称性，接收通路减少天线损耗的方式与发射侧相同。减少线路损耗的方式也是尽量缩短接收天线至接收电路之间的距离，减少损耗性器件的数量。以上两个考虑与前一节发射通路的考虑相同，在此不再赘述。

在接收信号增强中，还有一个重要考虑，就是减小其他干扰信号对接收信号的影响。在干扰信号中，“白噪声”和其他频段的干扰噪声是主要的干扰源。以下分别对二者进行讨论。

“白噪声”的处理

白噪声是由电子热震动引起的，在自然界无处不在，是不能够被消除的噪声。白噪声的存在决定了系统通信能力的上限。在室温环境中，白噪声的功率谱密度约为-174dBm/Hz。

由于白噪声的存在，有用信号需要尽可能的远离白噪声噪底，这样接收电路才可以尽可能的将信号分辨出来。为了表征信号强度距离噪底的大小，SNR（信噪比，Signal Noise Ratio）被引入进来。SNR的计算方式是信号强度除以噪声强度。SNR是通信中的重要指标，根据通信中基本香农定理的计算，信道的通信容量和SNR成正比。

图8：SNR的定义

在手机接收信号时，尤其在距离基站较远场景下，接收信号经过长途跋涉，到达手机时已经非常小，甚至接近噪底。这时就需要注意在处理时尽量不再引入额外的噪声，保持已经微弱的信噪比SNR不再受到破坏。

图9：经过长途跋涉，手机接收到的信号已经非常微弱

在放大过程中，尽量保持SNR不受破坏的方式就是引入“LNA”，低噪声放大器（Low Noise Amplifier）。

低噪声放大器并不是将噪声减小，事实上，放大器并没有办法区分信号和噪声，二者会同时被放大。低噪声放大器在放大过程中尽量的不去引入额外的噪声，尽量少的破坏信号与噪声之间的比值。低噪声放大器与普通放大器对信号的放大效果如下图所示。低噪声放大器引入的信噪比恶化要远小于普通放大器。

图10：LNA与普通放大器对微弱信号的处理效果

为了表征放大器对SNR恶化的程度，噪声系数指标被提了出来。噪声系数的定义是进入放大器的SNR，除以经过放大器后输出的SNR。噪声系数越大，说明信号SNR被破坏的越多。

噪声系数是接收信号增强中重要考虑的指标，对噪声系数的优化和控制，有助于增强手机的接收能力。

“干扰噪声”的处理

除了白噪声外，通信系统中还有其他各种干扰，这些干扰一定要被仔细处理或屏蔽，否则也会对接收信号造成干扰，影响手机的接收性能。

图11：现实生活中干扰信号无处不在

在干扰信号中，有一类干扰信号非常特殊，即FDD（频分双工）系统中手机自己的发射信号。

FDD是3G时代通信的主流制式，到了4G和5G时代仍然是手机中重要通信模式。FDD模式工作下，发射信号和接收信号同时工作在不同的频率上，相互不需要时间切换，信号传输速率高。

但FDD也有一个重要缺点，就是一定要处理好发射信号对接收信号的干扰。由于发射信号是大功率信号，通常伴有强烈的接收频段干扰噪声。而接收信号通常较小，如果与发射信号之间的隔离没有做好，则非常容易引起Desense（接收灵敏度恶化）。

在系统路径中，一般通过双工器来进行发射与接收频段间的噪声滤除。滤除过程如下图所示。

图12：FDD系统中，对发射噪声的处理

以上路径为信号主要的传输路径，在其他路径传输时，发射通路与接收通路之间的隔离应优于以上路径。否则发射信号就会从其他路径干扰到接收信号，以上滤波特性将不起作用。

除了发射噪声直接进入接收信号频段外，还有可能发生交调干扰，即同时在发射的两个或多个大功率信号，经过交调之后处于接收频段，影响接收性能。交调干扰分析更为复杂，需要具体问题具体分析，保障接收信号不被干扰。

严格来说对接收信号所做的以上防干扰处理，只能算是保障接收信号不被恶化。不过由于当前手机系统相当复杂，在方寸之间有全球的频段和多种制式，保障接收信号完全不被干扰并不是容易的事。不断的将信号解耦，尽量让接收信号受干扰的场景少出现，也算是在为接收信号的“增强”做的努力。

传输匹配增强 

射频阻抗的窄带特性

尽管理想的射频系统是各界面间均为50 Ohm，此时，信号可以达到没有反射的向前传输。但这一理想目标在手机中较难取得，主要原因是：

    1.手机需要支持的频段从0.6GHz一直到6GHz，很难有射频器件在这么宽的范围内始终保持50 Ohm；

    2.虽然可以用区分频段的方式，用划分子频段支持的方式分而治之，但受限于手机面积，仍然有器件（如天线）需要在较宽频范围内复用；

    3.人手持握等外部环境对天线阻抗影响极大，造成内部器件的负载阻抗始终在不断变化中。

阻抗失配带来的影响

阻抗失配会带来传输效率的损失。以50 Ohm的源向50 Ohm的负载传输效率定为100%计算，当负载阻抗由5 Ohm变化至500 Ohm时，传输效率的变化如下图所示。

图13：负载阻抗变化时传输效率的变化

可以看到，当负载阻抗变化时100 Ohm时，只有89%的功率有效传输，剩下的11%功率被界面反射，当负载阻抗变化至200 Ohm，传输效率降低至64%。当负载阻抗由50 Ohm向低阻变化时，传输效率同样变低。

阻抗变化除了会引起传输效率的在恶化外，还会恶化通信系统中子电路的性能。如《5G射频PA的load-line与load-pull》中提到，PA输出特性与输出负载相关，当负载阻抗偏离最优阻抗点时，射频PA的输出功率、线性度等指标都会恶化。

图14：PA的最优负载load-pull示意图

收敛阻抗，增强传输

既然阻抗不匹配对射频传输有明显影响，那是否有办法改变阻抗匹配特性呢？答案是有的，天线调谐、匹配调谐就是其中的代表。

天线调谐器：主动调整天线阻抗

由于天线阻抗无法在较宽的范围内控制在50 Ohm，那可以在天线处放置一个阻抗调谐器（Antenna Tuner），动态的根据频率变化、天线外部环境变化来调整天线特性，尽可能的达到匹配的状态，使失配状态下的信号得到增强。

天线调谐器有两种设计方法，分别为阻抗调谐（Impedance Tuner）和孔径调谐（Aperture Tuner）。

天线阻抗调谐器放置于天线和射频前端芯片之间，是一个可以根据状态调整的匹配电路，根据天线阻抗的不同，匹配电路可以调整至不同状态，保持左右两边的阻抗匹配。

图15：阻抗调谐天线Tuner放置的位置，及实现示例

天线孔径调谐器是利用调谐器件，改变天线的谐振特性，以达到天线阻抗及辐射效率随频率变化。孔径调谐一般放置在天线结构以内，直接对天线特性进行调整，在天线效率调整上有更大的调整范围。

图16：孔径调谐天线Tuner放置的位置，及实现示例

在传导功率被协议限制的情况下，合理设计天线Tuner就可以实现天线辐射效率的明显提升，达到射频增强的目的。下图为Qorvo所展示的某孔径调谐Tuner效果[6]。通过调谐，850MHz的效率由基线版本中的-3.5dB左右，提升至-1.2dB；810MHz的效率由基线版本的-11dB，提升至-2dB，提升效果达9dB。以3dB为两倍来估算，810MHz的辐射效率提升了8倍之多，可见增强效果的明显。

图17：Qorvo公司展示的某孔径调谐Tuner调谐效果

天线调谐器对于天线阻抗的调节，必须是基于天线场景做的针对性调节，所以天线信息的获取就变得尤其重要。根据获取天线信息的不同，天线调谐器在使用中分为开环控制和闭环控制两种方式。

图18：天线调谐器的两种控制方式

开环控制是将天线调谐控制参数预先写入，在使用时直接调用。比如预先根据工作频率的不同，设置不同的匹配参数等。开环控制的好处是控制简单，只需要预先写入一定参数，在后续使用中就可以调用这个确定性的信息。其缺点是无法根据使用场景的不同重新优化，调节场景也限定在预先写入的几个状态范围之内。

闭环控制是构建控制环路，实时检测天线信息，根据算法计算出当前需要的匹配及天线状态后，直接控制天线控制器进行实现。闭环控制的优点是控制场景覆盖广泛，性能优化更明显。缺点是控制复杂，需要闭环算法进行计算。

在当前使用中，各手机平台对于天线Tuner的开环控制已经有了较好的支持，预留了相应的控制接口。但天线Tuner的闭环控制需要天线控制器和平台做深入的联动设计，在应用中还是有很大的挑战。

下图为采用闭环控制算法实现的天线Tuner调谐效果[7]，可以看到，不使用天线调谐的情况下，手机输出功率在25dBm到31.5dBm进行波动。而使用了闭环控制的天线调谐器后，功率的波动范围缩小到29dBm至31dBm之间。天线性能的稳定性得到了明显的提升，多种场景下发射信号得到了明显的增强。

图19：闭环天线调谐对于射频发射信号的增强a

匹配调谐：保证通路始终匹配

与天线匹配调节的思路类似，还可以在不同电路模块之间加入匹配调谐网络，实现可以随状态配置的匹配网络。

图20：包含阻抗匹配调谐网络的射频前端系统

慧智微公司所开发的AgiPAM®系列射频前端系统中，就采用了阻抗匹配调谐网络技术，通过匹配网络的调谐配置，射频前端产品可以在较宽的频率范围内实现性能窄带优化，增强射频性能。

图21：可重构射频前端设计理念

自2011年投入进行射频前端可重构技术平台的研究，并于2014年开发出世界首款商用可重构射频前端技术平台AgiPAM®，经过近10年的迭代发展，目前可重构技术平台已发展至第四代，实现包含4G/5G产品在内的数亿片产品出货。

在具体产品实现上，基于AgiPAM® 3.0技术平台实现的5G Phase5N多频多模PA模组产品S55643，通过阻抗匹配调谐和PA性能调谐，可实现n7、n40（PC2）、n41（PC2）等高频关键频段优化。实测结果显示，S55643系列产品可实现电流13~28%的降低。

图22：传统Phase5N产品与基于可重构射频前端技术产品S55643-x对比

与天线调谐类似，阻抗匹配调谐也需要根据应用场景进行配置。AgiPAM®平台目前采用开环的方式对阻抗匹配调谐进行控制。进入AgiPAM 5.0后，期待与平台及终端客户深入合作，实现与应用场景结合更紧密的射频性能优化，实现手机射频性能的继续增强。

图23：AgiPAM®系列产品路线图

总结    

近年来，因为手机年出货量的饱和，以及芯片供应商的增加，“卷”字成为手机行业的主题。随之而来的就是成本导向，价格雪崩，整个行业陷入不健康竞争。

用户不愿意为高价产品买单的原因，还是因为产品无法提供解决差异化的价值。如果用户的痛点得以解决，产品是可以卖出溢价的。

具体到射频前端芯片行业，可能的研究方向有：

    ●用户关心的信号问题，可以通过优化射频前端性能、干扰，甚至采用新的天线方案、系统架构来进一步增强；

    ●用户关心的功耗问题，可以通过高效率的PA内核，与平台DPD的配合等技术来优化；

    ●用户关心的手机厚度问题，可以通过自屏蔽技术，减少额外屏蔽罩的应用来解决。

以上问题解决起来并不容易，需要大量投入与长期积累，但却是形成差异化价值的必经之路。期待利用技术的演进与优化，使手机射频性能不断增强。

参考文献
[1].荣耀发布业界首颗射频增强芯片C1, http://tech.china.com.cn/phone/20230307/394582.shtml, 2023

[2].3rd Generation Partnership Project, Technical Specification Group Radio Access Network, NR, User Equipment (UE) radio transmission and reception，3GPP, 38.101

[3].Abhinay Kuchikulla, Aperture Tuning: An Essential Technology in 5G Smartphones, 2020, Qorvo

[4].5G移动终端天线设计，林辉等，中国工信出版社，2021，

[5].Huawei launches the Huawei Mate 30 Pro, https://drscmedia.eu/5475, 2019

[6].https://www.qorvo.com/design-hub/blog/mobile-5g-device-antenna-tuning-demystified

[7].RF SOI for Front-End Tunability Components, Dr. YuminLu, SIT