В современных мобильных устройствах площадь, отводимая под печатную плату (далее - ПП), является таким же дефицитным ресурсом, как и спектр радиочастот для .развития сетей Как не пародоксально, именно стремительное расширение доступного спектра за счет новых радиодиапазонов, предпринятое с целью увеличения пропускной способности сетей, и стало причиной того, что компонентам ПП стало тесно на предназначенной для них площади в смартфонах. Увеличение числа диапазонов ведет к увеличению числа дискретных компонентов микросхемы радиочастотного тракта, например усилителей мощности, многодиапазонных переключателей, дуплексных антенн и фильтров вместе с согласующими компонентами. И если еще учесть спрос на экраны увеличенного размера, четырехядерные прикладные процессоры, компоненты связи, аккумуляторы и дополнительные модули, все из которых требуется заключить в элегантный и тонкий форм-фактор, становится ясно: выделить дополнительное место для микросхем радиочастотного тракта, хотя бы только ради возможности поддержки удвоенной, а порой и утроенной, полосы пропускания, необходимой для глобального роуминга в сетях LTE, в рамках единого узла невозможно (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Ограниченное пространство ПП в обычном смартфоне.

Для решения этой и других проблем Qualcomm Technologies Inc. (QTI) была разработана высокоинтегрированная микросхема радиочастотного тракта Qualcomm® RF360 RF, по сути объединяющая все компоненты от модема до антенны — радиочастотный усилитель мощности, интегрированный с антенным переключателем, трансивер, блок согласования антенны и датчик отслеживания мощности огибающей. Подобный "интегрированный" подход к упрощению и решению многочисленных сложных задач сотовой микросхемы радиочастотного тракта, в том числе необходимости поддержки новых диапазонов и работы в устройствах различных характеристик и размеров, позволяет максимизировать привлекательность изделий, а также получить существенные промышленные выгоды от применения более компактных и уникальных интегрированных узлов. Микросхема, анонсированная в феврале для OEM-изделий с предполагаемым началом поставок в конце 2013 года, представляет собой разработанную с "нуля" полноценную систему, которая также интерактивно взаимодействует с модемом, трансиверами и сенсорами устройства, позволяя получить уникальный прирост производительности.

 

Проектно-конструкторский подход

На самом общем технологическом уровне основная задача конструкторов выглядела так: преодолеть фрагментацию радиочастотных диапазонов, которая сопутствует расширению сетей 4G LTE (FDD и TDD) при сохранении сетей 2G и 3G, и поддерживать все соответствующие диапазоны в рамках одного устройства, или, как минимум, меньшего числа интегрированных узлов, при этом с учетом сложившихся пространственных ограничений и без ущерба для производительности.

На экономическом уровне конструкция микросхемы позволяет производить ее в промышленном масштабе, экономя значительные средства для производителей сотовых устройств. Вместо десяти различных узлов, позволяющих эффективно поддерживать требуемые комбинации LTE-диапазонов в разных странах мира, OEM-производителю достаточно трех, а то и меньше, при этом не нужно ни изменять топологию печатной платы, ни выделять больше места для ее монтажа.

 

Увеличение числа радиочастотных диапазонов без увеличения площади ПП

В настоящее время число сотовых диапазонов уже превысило 40, что, с одной стороны, обосновано динамично растущим спросом на различные услуги, требующие значительной пропускной способности сетей, а с другой стороны создает непростую проблему – обеспечить поддержку максимального большого количества диапазонов на ограниченной площадки электронной платы современных мобильных устройств.

Дополнительно ее усложняет то, что OEM-производителям хочется получать максимальную прибыль от инвестиций, вложенныхв разработку своих устройств. Однако, чтобы поддерживать диапазоны разных регионов, нужно одновременно выпускать несколько аппаратов. Из-за этого производители мобильных устройств вынуждены разрабатывать несколько версий каждой модели с меньшими возможностями для массового производства, используя старые решения, которые поддерживают ограниченный набор радиочастотных диапазонов или требуют использования нескольких чипсетов в одном устройстве для расширения его географии продаж.

Рисунок 2. Потери мощности при отслеживании средней мощности (a)
в сравнении со сбережением мощности при отслеживании мощности огибающей (b).

Для решения проблемы увеличения количества радиочастотных диапазонов Qualcomm разработала единый узел для монтажа в плате, который работает с любым сочетанием режимов и диапазонов (со всеми основными сотовыми режимами, начиная с GSM, и со всеми диапазонами соответствующими стандартам 3GPP), что обеспечивает глобальный роуминг в особенности, в сетях 4G LTE. Как это возможно? Учитывая, что пока еще ни одно решение не способно работать со всеми радиочастотными диапазонами по всему миру, не прибегая к простому наращиванию числа дискретных компонентов. Фактически требуется объединить ряд ключевых технологий, интегрировать и оптимизировать их работу в рамках единой "сквозной" системы Qualcomm.

 

Отслеживание огибающей мощности (Технология Envelope Tracking)

Первой ключевой технологией является отслеживание огибающей мощности (Power Envelope Tracking, ET), которая позволяет мгновенно варьировать питание усилителя мощности в зависимости от изменений мощности, необходимой для передачи сигнала. Это шаг вперед в сравнении с традиционной технологией отслеживания средней мощности average power tracking (APT), которая корректирует питание усилителя мощности ступенчатым образом без учета реально изменяющихся потребностей сигнала. Непроизводительная трата энергии, возникающая при этом, не только уменьшает время работы от аккумулятора, но и генерирует избыточное тепло, для рассеивания которого требуется дополнительное пространство (см. Рисунок 2a). В случае отслеживания огибающей мощность передачи подается с учетом конкретных потребностей передаваемого сигнала (см. Рисунок 2b).

Обмен данных с модемом устройства дает датчику отслеживания огибающей мощности возможность корректировать мощность передачи в режиме реального времени с учетом мощности, требуемой для передачи контента. Подобная технология, работающая в связке с модемом, представляет собой первое в отрасли решение, созданное для 3G/4G LTE, которое уменьшает энергопотребление почти на 20 %, а теплообразование - почти на 30% (по данным тестирования и анализа QTI). Благодаря этому увеличивается срок работы аккумулятора и уменьшается площадь, необходимая для отвода тепла в тонком корпусе смартфона.

Рисунок 3 Трехмерное представление микросхемы радиочастотного тракта с КМОП RF POP.

Работая совместно с модемом, датчик отслеживания огибающей мощности определяет мгновенные изменения в требуемой мощности и управляет усилителем мощности. Использование усилителей мощности на основе КМОП (комплементарной логики на транзисторах металл-оксид-полупроводниках) позволяет существенно увеличить уровень интеграции и, в перспективе, реализовать полностью интегрированную однокристальную микросхему радиочастотного тракта. Размещение на одном кристалле предполагает использование современных приемов 3D-компоновки, которые в настоящее время можно применять для микросхемы радиочастотного тракта.

 

Технология RF POP

Второй ключевой технологией, использованной Qualcomm в микросхеме радиочастотного тракта, стало применение первой в отрасли технологии послойного размещения, или 3D-компоновки радиочастотных компонентов, известной как RF POP(tm). В основе этого решения лежит усовершенствованная 3D-компоновка, позволяющая интегрировать в базовом блоке однокристальный многорежимный усилитель мощности и антенный переключатель, объединить фильтры и дуплексные антенны на одной подложке и затем наложить подложку на базовый блок для получения единого "трехмерного" чипсета. При этом уменьшается общая сложность системы и устраняется необходимость в проводном монтаже, который обычно используется при производстве современных микросхем радиочастотного тракта. Блок с интегрированным усилителем мощности и антенный переключатель образуют базовый уровень подложки, который занимает одну площадь независимо от устройства. Блок с фильтрами и дуплексными антеннами, который можно адаптировать к работе с различными сочетаниями диапазонов в разных регионах мира, накладывается поверх базового слоя с усилителем мощности и антенным переключателем подобно настраиваемой "крыше" на универсальном "фундаменте". Получившаяся система толщиной один миллиметр занимает половину площади, ранее отводившейся для предыдущих микросхем радиочастотного тракта Qualcomm. Важно еще и то, что адаптация устройств для различных регионов не требует изменений топологии печатной платы, поскольку базовый уровень с усилителем мощности и антенным переключателем остается без изменений (см. Рисунок 3).

Рисунок 4. Традиционная конструкция микросхемы радиочастотного тракта с параллельным расположением компонентов

В основе этой системы лежит архитектура, способная поддерживать LTE-диапазоны от 700 МГц до 2,7 ГГц по всему миру наряду с диапазонами 2G/3G. Характеристики системы позволяют упростить адаптацию к местным радиочастотным диапазонам, сведя ее к некоторым простым изменениям в конфигурации "крыши". Решение RF POP позволяет заменить от десяти и более различных вариантов ПП двумя или тремя вариантами, удовлетворяющими потребностям OEM-производителей по всему миру, поскольку в рамках одной топологии ПП можно реализовать различные частотные конфигурации. Результатом является возможность масштабного промышленного развития устройств для LTE-сетей, как то произошло при появлении возможности поддерживать четыре диапазона для GSM-устройств и пять диапазонов для 3G-устройств.

Для сравнения: в традиционных модульных ПП используются сочетания различных компонентов (как на базе арсенида галлия GaAs, так и на базе КМОП), которые индивидуально варьируются с учетом устройства для получения оптимального решения в рамках рабочей среды одного устройства. Создать устройство, поддерживающее широкий спектр различных сред, — еще более сложная задача. Ее решение в некоторых случаях требует комбинации различных систем в рамках одного устройства. Для систем с параллельным расположением компонентов требуется несколько усилителей мощности (в зависимости от комбинации частот), больше отдельных микросхем и сопутствующий этому проводной монтаж, который ухудшает качество интеграции из-за ввода излучаемых помех и дополнительной необходимости согласовывать полное сопротивление. В случае расширения необходимого числа диапазонов требуется изменение платы, а иногда и увеличение ее размеров, что уменьшает ее пригодность к массовому производству (см. Рисунок 4).

 

Адаптивная настройка антенны

Третьей ключевой технологией является адаптивная настройка антенны. В области радиочастотных систем еще одной проблемой, усугубляемой стремлением производителей к созданию все более тонких и компактных устройств, является минимальное расстояние между руками и головой пользователей и антенной, из-за чего антенна теряет целевую частоту и, как следствие, сигнал с базовой станции (и это без учета физического воздействия руки и/или головы на затухание сигнала). В ответ на это с базовой станции на устройство поступает команда увеличить мощность передачи для компенсации потери сигнала. Увеличение мощности передачи ускоряет разрядку аккумулятора. А если устройство уже работает с максимальной мощностью передачи, то ухудшается качество вызова или происходит его разъединение (см. Рисунок 5).

Рисунок 5. В традиционной микросхеме радиочастотного тракта расстройка приводит к увеличению мощности или разъединению вызова.

Рисунок 6. В Qualcomm RF 360 расстройка вызывает перестройку.

Отличие нового решения состоит в том, что система Qualcomm работает с датчиками устройства, которые обнаруживают расстройку антенны и потерю усиления, а модем отдает в блок согласования антенны команду повторно настроить антенну на правильную частоту. Благодаря этому устраняется необходимость увеличивать мощность для компенсации внеполосной передачи. Мощность увеличивается ровно настолько, насколько этого требует необходимость компенсировать затухание, вызываемое физической помехой (см. Рисунок 6).

 

Работа усилителя мощности

В решении Qualcomm RF360 используется комплексная система, которая позволяет использовать микросхему радиочастотного тракта на базе КМОП, традиционно считавшейся неспособной соответствовать требованиям к мощности в сотовых устройствах в отличие от модульного подхода, сочетающего использование компонентов на основе арсенида галлия и КМОП. Однако испытания QTI показали, что при условии использования только одной современной технологии отслеживания огибающей мощности, возможной благодаря интеграции КМОП, характеристики мощности передачи (потребления энергии для произведенной мощности передачи) решения Qualcomm очень близки получаемым традиционными усилителями мощности, которые сегодня используют отслеживание средней мощности на разных уровнях мощности передачи (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. Сравнение характеристик усилителей мощности

Рисунок 8. Особенности использования мощности передачи

На различных уровнях мощности решение Qualcomm с отслеживанием огибающей и традиционное решение с отслеживанием средней мощности имеют незначительные отличия. Оптимизация системы позволяет эффективно использовать ее для получения максимального времени работы устройства в режиме разговора и лучших характеристик передачи данных во всех диапазонах мощности, наиболее часто используемых в реальном мире (см. Рисунок 8). Об этом свидетельствуют данные, полученные QTI в ходе испытаний в коммерческих сетях сельских районов Калифорнии с 8:00 до 18:00 на протяжении семи дней в 2013 году и в Лос-Анджелесе с 6:00 до 19:00 в течение одного дня в 2011 году. Более того, система демонстрирует характеристики, аналогичные традиционным усилителям мощности даже за пределами этих наиболее часто используемых диапазонов мощности передачи.

При анализе характеристик мощности с учетом реальных особенностей распределения использования в верхних и нижних диапазонах оказывается, что общее энергопотребление при использовании решения Qualcomm RF360 находится практически на одном уровне с традиционными усилителями мощности в сельской местности и демонстрирует несколько лучшие показатели в городе (см. Рисунок 9).

Рисунок 9. Сравнение общего энергопотребления с учетом использования.

Рисунок 10. Изменение характеристик потребления мощности передачи при настройке антенны.

Следует заметить, что в этих сравнениях характеристик не учитываются эффект, полученный от использования высокоточных аналоговых схем, оптимизирующих работу усилителей мощности и датчиков слежения мощности огибающей, например, путем добавления нескольких программируемых состояний усиления. В сравнении также не учитывалась более эффективная настройка антенны. По результатам тестов QTI настройка антенны дает усиление 2 дБ, что привело бы к смещению частоты кривых использования мощности передачи "влево" на –2 дБ в характеристиках использования (см. Рисунок 10).

Если бы в анализе эффективности учитывалось это смещенное распределение частоты использования мощности передачи, то общее энергопотребление оказалось бы еще ниже. Таким образом, даже без учета эффекта, получаемого от оптимизации усилителя мощности и настройки антенны, общая производительность системы отвечает современным требованиям и сопоставима с эффективностью уже существующих микросхем радиочастотного тракта. При этом для ПП отводится гораздо меньше места, а масштабируемость радиочастотных диапазонов намного выше.

 

Выводы

В микросхеме радиочастотного тракта воплощен целый ряд инновационных разработок:

• Первый полностью интегрированный многорежимный многодиапазонный усилитель мощности на КМОП в монолитном корпусе с интегрированным антенным переключателем
• Первая многослойная система RF POP (с 3D-компоновкой), которая уменьшает место, занимаемое микросхемой радиочастотного тракта, одновременно позволяя использовать общую топологию ПП, упростить адаптацию или расширение радиочастотных диапазонов
• Первый усилитель мощности на базе КМОП для LTE
• Первый усилитель мощности на базе КМОП с отслеживанием огибающей
• Первый динамически настраиваемый многорежимный блок настройки антенны для сетей LTE

В целом, первая полностью интегрированная микросхема радиочастотного тракта на базе КМОП, включающая все — от модема до антенны

Основными факторами разработки решения стали увеличение количества LTE-диапазонов во всем мире, осложнившее экономически эффективное производство мобильных устройств в промышленных масштабах, и необходимость размещать все компоненты ПП на очень ограниченном пространстве. Использование RF POP позволяет использовать в любой стране мира общую конструкцию платы, поддерживающую упрощенное расширение или адаптацию радиочастотных диапазонов, и тем самым открыть новые возможности в области дизайна устройств и их промышленного производства. Уменьшение площади микросхемы радиочастотного тракта, тепловыделения и размера, а также увеличение срока работы аккумулятора — факторы, позволяющие создавать элегантные тонкие мощные и эффективные устройства. Кроме того, поставки образцов решения уже начались — это позволит заранее подготовиться к масштабному производству устройств для сетей LTE и обеспечить поддержку глобального роуминга.

Авторы: Питер Карсон и Стив Браун, Qualcomm