射頻模組整合設計突圍而出　直面PC2高功率挑戰

上一次討論蜂巢通訊功率等級2(Power Class 2, PC2)，是在2017年的文章《功率等級2：您需要知道的一切》中。自那時起，隨著更多頻段的導入和日益複雜的行動裝置問世，蜂巢通訊市場發生了巨大的變化。2017年仍處於概念階段的折疊螢幕手機、5G NR(New Radio)，以及採用載波聚合(Carrier Aggregation, CA)技術的100MHz頻寬訊號，如今都已成為現實。

隨著4G和5G的部署，3GPP的最新規範已將PC2導入頻分雙工(Frequency Division Duplexing, FDD)頻段，更高的發射功率水準也因此帶來了與之相關的全新挑戰。接下來將回顧PC2的基礎知識，並深入探討PC2如何隨著這些新的5G部署而演進。

功率等級確保各頻段效能表現

在TS36.101和TS38.101-1等3GPP規範中，發射功率通常是指行動裝置在特定通道頻寬上傳導輸出埠所提供的額定功率。這些傳導輸出埠與在實際手機操作中用於訊號發射和接收的真實天線相關聯。3GPP針對使用者設備(User Equipment, UE)的最大傳導發射功率定義了功率等級類別，以確保在不同網路條件下的效能表現。

射頻(Radio Frequency, RF)規範中的要求通常會根據不同頻率範圍(Frequency Range, FR)分別定義。在此規範版本中，用於NR操作的頻率範圍如表1所示。

在本文的討論中，僅涉及FR1中的功率等級。FR1中定義了四個不同的功率等級；每個等級皆針對4G LTE和5G NR頻譜內特定設備的要求和使用場景進行了定制(包括PC1、1.5、2、3和4)。所有FR1頻段預設支援功率等級3，但其他等級的支援情況會因頻段而異。

1.PC1—適用於固定無線、車載應用，以及公共安全等高功率場景。FR1 PC1針對部分選定頻段，最大功率約為31dBm。

2.PC1.5—針對如n41、n77和n79等頻段，滿足智慧型手機和固定無線接取(Fixed Wireless Access, FWA)設備的需求。此類UE的最大輸出功率為29dBm，在2Tx配置下實現。

3.PC2—用於NR TDD頻段內CA和高功率UE，最大發射功率為26dBm。

4.PC3—除非另有規定，否則此等級為預設功率等級；在所有頻段上的最大發射功率為23dBm。

・PC3針對行動手持設備優化了功率效率。

・如果最大功率額定值配置為23dBm或更低，或UE未提供最大上行鏈路功率等級額定值，UE將使用PC3運行。

表2提供了3GPP標準組織規定的FR1頻段及其最大功率額定值的組合。表2僅供參考；請查詢3GPP網站獲取最新版本的規範。

PC2提升輸出功率擴大覆蓋範圍

過去的文章中曾提及，PC2作為4G LTE的一項新標準於2016年12月推出，旨在支援高功率使用者設備(High Power User Equipment, HPUE)，並加強2.5GHz LTE TDD的全球覆蓋。文章指出，FR1內的高頻訊號由於路徑損耗較大，相較於低頻訊號在相同功率水準下的傳播距離更短。為了解決此一路徑損耗問題而不需增設昂貴的訊號塔，並實現預期的網路覆蓋能力，PC2應運而生。此外，這些較高頻率需要穿透建築物以支援室內通訊；同時，PC2還能在更理想的條件下提高基地台接收到的訊號強度，使網路獲得更佳的訊號雜訊比(Signal Noise Ratio, SNR)，並啟用更高階的調製方式，提升資料傳輸效率。

在此之前，即2016年12月之前的標準—功率等級3(PC3)，為了維持與舊技術的相容性，將B41等頻段的上行鏈路功率限制在23dBm。如圖1所示，功率等級2允許輸出功率提升至26dBm—進一步擴大了先前由功率等級3所定義的最大覆蓋範圍。

儘管功率有所提升，HPUE手機仍需遵守美國聯邦傳播委員會(Federal Communications Commission, FCC)和其他監管機構設定的特定吸收率(Specific Absorption Rating, SAR)限制，以確保輻射水準的安全性(SAR值反映了無線手持設備使用者頭部、手部等部位吸收到的相對射頻能量)。對於TDD系統，PC2傳輸透過限制工作週期來減少平均吸收的能量。隨著FDD PC2的導入，發射和接收操作不再存在雙工工作週期，因此必須對PC2傳輸實施時間限制，以確保隨時間推移所吸收的平均能量維持在安全範圍內。

從RF前端模組的角度來看，分析顯示，將TDD頻段功率提升至26dBm可以在相關發射工作週期下延長電池壽命，改善社區邊緣覆蓋，並在更典型的運作條件下提升資料傳輸效率。預計FDD PC2的加入將進一步優化網路運行效率並延長使用者設備的電池壽命。

PC2的射頻挑戰

對於支援更高頻率的RF前端來說，支援PC2功率等級面臨一些挑戰。首先是效率問題，這直接影響電池壽命。更高的功率要求低損耗的後級功率放大器(Power Amplifier, PA)組合，包括性能更高的聲學濾波器。這些濾波器必須在提供足夠帶外(Out Of Band, OOB)抑制的同時，保持低插入損耗；此外，還需解決發射鏈路中的諧波和其他雜散訊號生成問題，以滿足行動裝置的要求；因為這些訊號的水準通常會隨功率的提升而增加。同樣，在高功率、高電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR)條件下，若設計不佳，濾波器和功率放大器都更容易損壞，因此高功率等級下的堅固性也是必須留意的問題。

FDD PC2系統不僅需要應對所有TDD PC2面臨的挑戰，還需考量更多額外因素。隨著功率水準的提高，如果接收頻段內的發射洩漏和發射雜訊等RF參數未得到妥善管理，接收靈敏度可能會受到影響。假設多工器在一個特定頻段內為了達到PC3發射功率條件下的接收靈敏度目標而需要60dB的發射到接收隔離度，那麼可以合理推測，在發射功率高出3dB的情況下，可能需要63dB的隔離度。此外，由於功率水準在相對較長的時間內保持較高，提高效率和採用額外的熱管理方法也是關鍵。

RF設計工程師必須最大限度地減少匹配損耗，並優化系統鏈路預算，以滿足PC2的性能要求。為實現此目標，廠商如Qorvo採用高度整合的模組、天線複用器、高端開關技術以及高性能RF濾波器。Qorvo的RF Flex™和RF Fusion™等整合型RF模組，將濾波器、開關和PA整合在一起，實現直接匹配，並在發射(Tx)和接收(Rx)路徑中將匹配損耗降低多達0.5分貝(dB)(圖2)。此一損耗的降低有助於在避免PA超載的情況下，達到26dBm的輸出目標。

體聲波(Bulk Acoustic Wave, BAW)技術以其高Q值、低雜散訊號、陡峭的帶緣以及卓越的熱性能，帶來了出色的表現，成為滿足5G PC2要求並降低高功率水準下系統熱量的理想選擇(圖3)。隨著5G設備日益複雜，高效的設計對於維持性能至關重要。

廠商Qorvo的BAW濾波器，無論是分立元件還是模組內整合，都憑藉其卓越的衰減性能和低插入損耗，在解決共存問題方面發揮著關鍵作用；這對於避免干擾和優化B41頻段鏈路預算至關重要。此外，針對5G頻段n77、n78和n79的濾波器，得益於優化的耦合設計，在PC2載波聚合(CA)應用中設計多工器時，同樣扮演了不可或缺的角色。

隨著RF前端複雜性不斷增加，工程師面臨著在滿足多個CA和區域模式要求的同時最小化天線數量的難題。此類問題可以透過使用整合到天線複用器中的開關、濾波器以及高性能天線調諧解決方案來解決。這些元件簡化了天線設計，將插入損耗降至最低，並在降低複雜性的同時保持最佳的共存性能。隨著PC2被導入更多頻段，應對這些挑戰對於下一代設計變得更加重要。

RF模組整合設計滿足4G/5G需求

在日新月異的RF前端設計中，頻段數量的增加、頻率的提升，以及載波聚合技術的擴展，無一不持續帶來嚴峻考驗。儘管功率等級2充滿挑戰，但RF工程師與專業RF供應商合作，仍能有效應對。諸如Qorvo的BAW濾波器等高性能技術，以及RF Flex和RF Fusion等整合設計方法，成為助力手機設計人員更快速實現高效與成功的關鍵工具。這些先進解決方案不僅減少了匹配損耗，優化了鏈路預算，還解決了複雜問題，確保即使在PC2所需的高功率水準下，系統依然能保持穩健性能。總體而言，Qorvo在RF模組整合領域的創新，對於滿足4G和5G日益複雜設備的嚴苛要求，發揮著至關重要的作用。

(本文作者Dennis Mahoney為Qorvo系統與架構技術總監；Phil Warder為Qorvo首席設計工程師；David Schnaufer為Qorvo企業技術市場經理)