應對5G復雜性：理解射頻前端設計中的“功率等級2”

• PC1——面向固定無線、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。

• PC1.5——針對如n41、n77和n79等頻段，滿足智能手機和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。

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

• PC3——除非另有規定，否則此等級為默認功率等級；在所有頻段上的最大發射功率為23dBm。

下表提供了3GPP標準組織規定的FR1頻段及其最大功率額定值的組合。下表僅供參考；請通過表下方的3GPP鏈接查閱最新版本的規范。

表2，3GPP規定的FR1功率等級額定值（來源：3gpp.org）

我們在之前的文章中曾提及，PC2作為4G LTE的一項新標準于2016年12月推出，旨在支持高功率用戶設備（HPUE），并增強2.5GHz LTE TDD的全球覆蓋。文中指出，FR1內的高頻信號由于路徑損耗較大，相比低頻信號在同一功率水平下的傳播距離更短。為解決這一路徑損耗問題而不增設昂貴的信號塔，并實現預期的網絡覆蓋能力，PC2應運而生。此外，這些較高頻率需要穿透建筑物以支持室內通信；同時，PC2還能在更理想的條件下提高基站接收到的信號強度，使網絡能夠獲得更好的信噪比（SNR），并啟用更高階的調制方式，以提高數據吞吐量。

在此之前，即2016年12月之前的標準——功率等級3（PC3），為保持與舊技術的兼容性，將B41等頻段的上行鏈路功率限制在23dBm。如下圖1所示，功率等級2允許輸出功率達到26dBm——擴大了之前由功率等級3定義的最大覆蓋范圍。

圖1，網絡中功率等級2與3的輸出功率水平

盡管功率有所提升，但HPUE手機仍必須遵守美國聯邦通信委員會（FCC）和其它監管機構設定的特定吸收率（SAR）限制，以確保輻射水平安全（SAR值反映了無線手持設備用戶頭部、手部等部位吸收到的相對射頻能量）。對于TDD系統，PC2傳輸通過限制占空比來減少平均吸收的能量。隨著FDD PC2的引入，發射和接收操作不再存在雙工占空比，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保持在可接受水平。

從RF前端模塊的角度來看，分析表明，將TDD頻段功率提升至26dBm可以在相關發射占空比下延長電池壽命，改善小區邊緣覆蓋，并在更典型的運行條件下提高吞吐量。預計FDD PC2的加入將進一步優化網絡運行并延長用戶電池壽命。

對于支持更高頻率的前端RF來說，支持PC2功率等級面臨一些挑戰。首先是效率問題；其直接關系到電池壽命。更高的功率要求低損耗的后級功率放大器（PA）陣容，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（OOB）抑制的同時，保持低插入損耗；此外還必須解決發射鏈路中的諧波和其它雜散信號生成問題，以滿足手機級要求；因為這些信號的水平通常會隨著功率的提高而增加。同樣，在高功率、高VSWR條件下，如果設計不當，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一個關注點。

FDD PC2系統不僅需要應對所有TDD PC2面臨的挑戰，還有更多額外考量。隨著功率水平的提高，如果接收頻段內的發射泄漏和發射噪聲等RF參數未得到妥善管理，接收靈敏度可能會受到影響。如果多路復用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，那么可以合理推測，在發射功率高出3dB的情況下，可能需要63dB的隔離度。此外，由于功率水平在相對較長的時間內保持較高，提高效率和采用額外的熱管理方法也極為關鍵。

射頻設計工程師必須盡量減少匹配損耗，優化系統鏈路預算，以滿足 PC2 的性能要求。Qorvo采用高度集成的模塊、天線復用器、優質開關技術和高性能射頻濾波器來實現這一目標。Qorvo 的 RF Flex? 和 RF Fusion? 等集成射頻模塊將濾波器、開關和功率放大器集成在一起，實現了直接匹配，并將Tx和Rx通路的匹配損耗降低了0.5dB。這種降低有助于實現26dBm的輸出目標，而不會使功率放大器過載。

圖2，Qorvo射頻融合模塊

體聲波（BAW）技術以其高Q值、低雜散信號、陡峭的帶緣和卓越的熱性能，帶來了出色的表現，成為滿足5G PC2要求、降低高功率水平下系統熱量的理想選擇。隨著5G設備變得愈發復雜，高效的設計對于維持性能舉足輕重。

圖3，Qorvo BAW濾波器優勢

Qorvo的BAW濾波器，無論是分立器件還是模塊內集成，都憑借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；這對于避免干擾和優化B41頻段鏈路預算至關重要。此外，針對5G頻段n77、n78和n79的濾波器得益于優化的耦合設計，在PC2載波聚合（CA）應用中設計多路復用器時同樣扮演了不可或缺的角色。

隨著RF前端復雜性不斷增加，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。此類問題可以通過使用集成到天線復用器中的開關、濾波器以及高性能天線調諧解決方案來解決。這些組件簡化天線設計，將插入損耗降至最低，在降低復雜性的同時保持最佳的共存性能。隨著PC2被引入更多頻段，應對這些挑戰對于下一代設計變得更加重要。

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。盡管功率等級2頗具挑戰性，但RF工程師與專業RF供應商攜手合作，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?等集成設計方法，是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，還解決了復雜問題，確保即使在PC2所需的高功率水平下，系統也能保持穩健性能。總體而言，Qorvo在RF模塊集成領域的創新，對于滿足4G和5G日益復雜設備的嚴苛要求方面發揮著至關重要的作用。

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