“全球手机”前端解决方案

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Front-end Solutions for World Phones
——RF Modules for Multimode Multiband Mobile Phones

■    爱普科斯(EPCOS)公司

GSM/WCDMA手机用射频滤波器模块的集成度必须很高，才能满足世界范围内所有频段的应用。爱普科斯(EPCOS) 可提供基于LTCC技术的适用模块。目前，WCDMA在世界范围内指定有九对不同的频段(参见表1)，并非所有频段已在全球范围内开通，其中一些频段目前仍在建设之中。例如，Bands III和Bands VII最快也要等到2009年方可投入使用。为降低兼容GSM/UMTS手机的复杂度和成本，目前的此类手机最多使用了三种WCDMA频段。可能的组合取决于手机使用的地区，下列频段组合现已通过确认：

∙  全球（I、II和V）

∙  日本（I、IX和VI）

∙  欧洲（I、III和VIII）

∙  美国（II、IV和V）

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四频GSM与Band-I WCDMA前端

图1为GSM/WCDMA双模手机方块图。它采用了与单一频段WCDMA收发机相结合的四频GSM收发机。GSM单元接收部分包括一个前端模块：该模块含有一个开关及四个SAW滤波器，其中每个滤波器对应一个GSM频段。上述滤波器特别配有一个非对称输入（以地为基准）和一个对称输出，因而不再需要在GSM收发机前使用平衡—不平衡变换器（阻抗变换器）。平衡—不平衡变换器的使用，会产生额外的插入损耗。不过，如果非对称信号在SAW滤波器内部被转换为对称信号，就不会发生上述情况。

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双重功率放大模块用于两个GSM传输频段(1GHz和2GHz)。高效GSM功率放大器需要采用低通滤波器来抑制谐波，一般为LC滤波器，将上述滤波器集成至前端模块中，成为多层LTCC基板中的三维构造。GSM收发机输入端所需的复杂
匹配也可以包括到模块中，从而节省十二个分立元件。

在WCDMA模式中，这种模块与一个双工器、一个WCDMA功率放大器以及Rx和Tx路径的中间级滤波器共同运作。上述双工器、功率放大器和中间级滤波器（Tx路径）也可集成到单一PAiD（集成有双工器的功率放大器）中。中间级滤波器在接收路径中被置于LNA之后，而在发送路径中则作为PAiD的一部分被集成在功率放大器之前。前端模块包括一个SP7T开关，用于连接GSM和WCDMA收发机至天线。在此，采用了具有七级开关的CMOS多工器。
因而，针对双模手机的前端可由三种模块组成：

∙  前端模块，内含一个SP7T开关、一个四频带通滤波器组以及低通滤波器（发送路径）,

∙   GSM用双重功率放大器模块,

∙  WCDMA PAiD模块，具有一个功率放大器、一个中间级发射滤波器以及双工器(此处仍多采用分立式解决方案)。

另一概念则为对功率放大器开关模块(PSM)、PAiD以及滤波器组(以模块形式)的综合应用。前端模块化的成败，很大程度上取决于空间需求、成本、投放市场时间以及物流等方面的因素。

四频GSM与三频WCDMA用前端

高级多模多频手机可支持四种GSM频段和最多三种WCDMA频段。现在详细介绍这一设计理念，此设计也可用于其它频段组合。

分开的GSM和WCDMA收发机

在此方法允许范围内，上述GSM前端可以通过扩展，实现更多WCDMA频段的应用。这意味着SP7T开关将被SP9T开关取代，以便支持另外两个频段的切换。WCDMA前端必须通过另外两个双工器、四个附加中间级滤波器、两个功率放大器以及WCDMA收发机中的另外两部分进行扩展。这一理念的应用降低了研发双模多频手机所需的支出，从而缩短上市时间，并降低开发成本。

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双模接收器

为实现成本最小化，需要采用新方案。图2所示为一种可能的解决方案。该理念要求使用可设置多模接收器，以允许相同接收路径同时处理GSM和WCDMA信号。如此一来，接收器的数目可以减少两个，这意味着前端可由较少的滤波器和更为简单的开关组成。

图1所示频段清楚显示出，GSM 850与WCDMA Band V是在同一接收频段运作，GSM 1900与WCDMA Band II的情况也如此。因此，相应WCDMA频段的接收滤波器也可用于GSM。这一相同理念也适用于在欧洲发布的I、III和VIII频段，以及日本所用I、III(IX)与V(VI)频段中运作的GSM/WCDMA手机。
这一设计的实施需要使用两个传统GSM接收滤波器与两个双模中间级接收滤波器。双模滤波器必须同时满足二者标准的规格。

不含中间级滤波器的双模接收器

为了除去在所有WCDMA频段中使用的中间级滤波器，WCDMA双工器的接收滤波器不仅要满足WCDMA，也要满足对应的GSM规格，中间级滤波器的平衡——不平衡变换器的功能同样也要转入双工器中。

为阐明此类接收滤波器的技术要求，以下将针对WCDMA频段，对具有对称性接收路径的双工器加以说明。图3所示为此类双模接收、复式滤波器与典型GSM 850规格相对比的频率响应（S21），尤其需要满足超出通带的阻带频率的相关GSM规格。图4所示为与WCDMA Band V典型规范相对比的相同滤波器的PTF（功率传递函数）以及EVM（误差矢量幅度）。除了要对传输频率有高抑制，这一滤波器仍然必须和三阶互调产物的频率进行专门匹配，以便对这一频率进行抑制。

多模前端模块示例

此处将以基于LTCC工艺的爱普科斯模块D2027（具有业界较高技术水平的多模前端模块）为例。有关该模块的方块图参见图5。该模块含有一个SP7T CMOS开关、四个GSM接收路径用SAW滤波器、低/高GSM发送路径用低通滤波器、WCDMA运作用输出路径、静电放电防护电路、以及滤波器和开关必需的所有匹配元件。该模块的天线接脚通过ESD防护电路接至开关的输入端。上述开关的七条输出路径分别与四个GSM接收滤波器、两个GSM低通发送滤波器、以及WCDMA输出接脚相连。

图6所示为目前正在批量生产的模块，通过拆除封装可以观察上方安装的元件。所有必需的无源元件嵌入在一个多层LTCC基板中，以实现两个低通滤波器、接收路径的匹配元件、以及电路段之间的匹配元件。这与非模块化的解决方案相比较，可节省大量空间。这使得用户化Rx输出阻抗在模块上实施成为可能，从而节省了电路板上的占用空间，同时也减少了研发工作。CSSP2封装的两个SAW滤波器(分别包括两个GSM接收滤波器，采用二合一解决方案)安装于基板的上方。SP7T开关置于下方，为线焊的裸片。分立式爱普科斯的SMD元件用作ESD防护电路，右下角可看到这些元件。此模块的整体覆盖面积为5.4×4.7mm2。判断多模模块的工艺性能是否优良的关键参数为插入损耗、规定的衰减要求、GSM传送模式中的少量谐波以及优良的互调性能。

凭借仅为50 μA的电流消耗以及根据IEC1000-4-2在接触放电时高达8 kV的静电放电强度，D2027提供了良好的性能数据。所有上述功能以低成本在最小的空间内得以实现。

下一步要做的是进一步微型化。这将通过应用具有CSSP3工艺的爱普科斯超紧凑SAW封装得以实现。结合开关所用的芯片倒装技术，将在实现模块覆盖面积减半的同时，进一步降低插入高度。

研发趋势

多模多频手机用射频前端的成功研发取决于关键原材料和技术的管理与取得、先进的滤波器技术以及对应用系统的全面了解。爱普科斯的研发不仅依靠开发和实施LTCC技术的实力，更有赖于开发、综合、模拟和生产SAW和BAW滤波器的专门知识。

各种不同组合的多模多频手机射频前端解决方案导致了技术上对应的各种系统解决方案。虽然使用现有的GSM子系统可能会缩短产品的上市时间，但这将会增加元件的数目以及复杂度，并因此提高系统的成本。如果将GSM和WCDMA的规格要求加以结合，那么一个接收滤波器可使用两次，即两个系统均可使用同一个滤波器，减少了滤波器的使用量，降低了四频GSM/三频WCDMA前端模块的复杂度。将GSM阻带规格要求和平衡——不平衡变换器功能添加至双工器中，就使得设计出省略了中间级滤波器的接收滤波器成为可能。