在用於智能手機通信的無線電路(RF電路)中，旨在降低功耗的技術開發也非常活躍。這是因為，就峰值功率而言，只有射頻電路會消耗大約2W的功率，所以還有很大的降低空間。
發射機用來放大信號的功率放大器(PA)在RF電路中消耗最多的功率。當終端與基站距離較遠時，信號峰值瞬間會消耗約1.5W(圖18)。因此，在射頻電路中，如何降低功率放大器的功耗成為人們關註的焦點。
圖18:射頻電路對策
在智能手機的射頻電路中，功率放大器(PA)消耗的功率最大。比如LTE的輸出為23dBm時，僅功放壹項，瞬間就要消耗約1.5W的功率(A)。因此，為了降低射頻電路的功耗，通過外圍技術(B)提高PA的效率，降低損耗是非常重要的。(圖18: (a)本刊根據澳大利亞新南威爾士大學和英國努吉拉公司數據制作)
降低功耗的關鍵在於提高PA的功率附加效率，降低外圍技術的功耗(圖18(b))。
*功率附加效率(PAE) =表示PA的實際輸出信號功率(從輸出信號功率中減去輸入信號功率的值)與電源加載的DC功率之比。
PA的功率附加效率隨所采用的通信模式而變化。例如，GSM通信電路中使用的PA有望達到50%以上的效率，而W-CDMA模式中使用的PA最高約為40%。至於LTE，因為沒有完全優化，最大效率只有35%左右。也就是說，LTE終端中用於PA的超過65%的輸入功率被浪費(轉化為熱量等。).
多頻阻塞效率改進
對於未來將成為LTE智能手機主流的PA來說，提高功率附加效率是極其困難的。原因在於多頻的推動。
為了能在世界各地使用，LTE智能手機標配了國際漫遊功能。因此，射頻電路必須支持多種頻率(多頻)。如果根據支持頻率的數量來安裝諸如PA和濾波器之類的RF電路的單個組件，則組件的數量將會增加，從而導致安裝面積和成本的增加。為了避免這種情況，LTE終端的主流是使用壹個套餐可以支持多個頻率的多頻產品(圖19)。“許多終端廠商打算主要在射頻電路中使用多模多頻元件”(村田制作所執行董事、模塊事業本部副本部長中島貴舉)。
圖19:通過多頻產品減少安裝面積
如果使用多頻功率放大器(PA)，即使支持的頻段數量增加，安裝面積也不會增加。(本站根據三菱電機的資料制作)
相比於單頻段(單頻)產品，村田的多頻PA不易提高效率。支持的放大頻段越多，功率附加效率越難提高，屬於權衡關系(註1)。
註1)多頻PA壹般采用寬帶放大電路，與在特定頻段具有放大特性的單頻PA相比，效率值容易下降。
信封跟蹤技術亮相
作為提高LTE終端中多頻PA的效率的技術，精細控制輸入PA的電源電壓的“包絡跟蹤”已經受到了很多關註。
包絡跟蹤是壹種動態調整PA電源電壓的技術。以前，已經使用“平均功率跟蹤”的方法來以1個時隙為單位切換PA的電源電壓，用於發送信號。包絡跟蹤跟蹤信號幅度(信號功率)，並在較小的時隙內切換電源電壓，以便在輸出時選擇最高效的電源電壓進行傳輸(圖20)。
圖20:跟蹤信號波形並精確控制電壓。
無電壓控制、平均功率跟蹤和包絡跟蹤的時間軸信號波形示意圖。粉色線表示電壓水平，粉色區域表示發熱(過度耗電)。(圖片由本刊根據努吉拉公司資料制作。)
PA的功率附加效率取決於電源電壓和發射功率，所以如果能根據發射功率切換電源電壓，就能始終在理想狀態下選擇最大效率點，減少冗余功耗。通過這種技術的組合使用，彌補了多頻功放效率低的缺點。
實現包絡跟蹤的方法有很多。最常見的方法是從輸入信號波形中提取幅度的形狀，然後將所需的偏置信號輸入PA(圖21)。此時，設計用於加載最佳偏置電壓的控制IC由歐美風險企業開發。
圖21:包絡跟蹤控制電路
偏置信號波形由輸入信號波形產生，並且輸入功率放大器(PA)的電源電壓由偏置信號波形精細控制。電源電壓根據PA的輸出而變化，因此可以用最高效率的電壓驅動。(圖片由本刊根據三菱電機的資料制作。)
大幅降低功耗
比如使用英國Nujira公司提供的包絡跟蹤控制IC，比不使用時功耗可降低40% ~ 55%(圖22)。“與W-CDMA相比，大動態範圍的LTE可以進壹步降低功耗”(努吉拉公司現場應用經理Tamas Vlasits)。
圖22:包絡跟蹤的效果
Nujira的包絡跟蹤控制IC“NCT-l 1100”封裝在壹個4mm見方的BGA (A)中。W-CDMA、HSUPA和LTE射頻電路在23dBm輸出時的功耗。包絡跟蹤技術的引入大大降低了PA的功耗。LTE可以降低55%的功耗(B)。(圖片由本刊根據努吉拉公司資料制作。)
用於包絡跟蹤的控制IC插在PA和RF收發器IC(或基帶處理LSI)之間使用。控制IC通過符合MIPI(移動工業處理器接口)標準的芯片間接口進行控制。
註2) MIPI聯盟2011 11成立工作組，制定信封跟蹤專用接口標準。用於從RF收發器IC或基帶處理LSI發送和接收包絡信號的信號線標準是預先確定的。
另壹家在包絡跟蹤控制IC領域更受關註的公司是美國Quantum。該公司將自主開發的技術命名為“qBoost”，並計劃與PA制造商合作，擴大該技術的應用範圍。據該公司稱，通過使用這項技術，電力的額外效率可以提高到50%左右。
Quantance與三菱電機有合作。前不久，三菱電機發布了壹款尺寸只有3mm見方的PA，可以放大6個波段。設想將其與包絡跟蹤技術結合使用。組合使用可確保最高效率為40%(圖23)。
圖23:支持6個頻段，確保40%的效率。
三菱電機開發的GaAs PA尺寸只有3mm×3mm×1mm(a)。在1.7g ~ 2 GHz的六個頻段內，功率的附加效率最高可達40% (b)。(圖片由本刊根據三菱電機的資料制作。)
未來計劃配備射頻IC。
包絡跟蹤技術不僅可以得到上述專用控制IC的支持，而且在不久的將來還可以嵌入到射頻收發IC中。富士通半導體定於2012年5月初開始供應樣品，多模多頻射頻收發IC“mb86l 11A”配備包絡跟蹤控制功能。這是業界首款具有包絡跟蹤控制功能的RF收發器IC。此外，從事智能手機芯片組業務的大型企業，如高通，似乎也在考慮標準技術。
然而，包絡跟蹤也有問題。由於電源電壓的高速切換，信號的失真特性將惡化，相鄰通道的泄漏功耗可能增加。作為解決方案，瑞薩電子通過預先使傳輸信號失真(預失真)來減少惡化，瑞薩電子認為“有必要探索類似的補償技術”。
提高組件本身的效率。
壹些制造商打算通過改善PA組件本身的特性來提高效率，從而降低功耗。例如，2012年2月底，美國RF Micro Devices發布了PA“超高效率PA”，可以將LTE傳輸的功率附加效率提高到42 ~ 44%左右。
註3)可用於放大W-CDMA的頻段1，2，3，4，5，8，LTE的頻段4，7，11，13，17，18，20，266。
此外，富士通半導體在2011年底開始供應多頻PA，通過使用與富士通研究所共同開發的高耐壓晶體管“EBV-Transistor”提高了效率。這是壹款采用CMOS工藝設計的PA，可以通過壹個封裝支持W-CDMA和HSPA使用的三個頻段的放大(圖24)。據富士通半導體介紹，在高頻使用中低輸出時，效率非常高。
圖24:富士通的CMOS PA支持3個頻段。
富士通半導體開發的CMOS PA使用壹個芯片來放大頻段I (2.1 GHz)、V (850 MHz)和VII (1.7 GHz)中的W-CDMA/HSPA。尺寸為4 mm× 3.5 mm× 0.7 mm。
減少反射波並降低功耗
另外，也有通過引入射頻電路的外圍技術而不是在PA上下功夫來降低功耗的情況，比如插入隔離器來降低反射波。
隔離器是只傳遞單向信號的元件。如果在PA和天線之間插入隔離器，可以防止信號從天線側反向進入。
最近智能手機天線壹般都安裝在機身側面，隨著用戶握持方式的不同，天線阻抗會有很大變化。所以射頻發射機會產生阻抗不匹配，導致PA的輸出信號作為反射波返回，惡化信噪比。
反射越多，PA的發射功率越大，會導致功耗增加。插入隔離器可以消除反射波，從而降低功耗。
隔離器的使用將導致元件數量的增加。所以大部分海外終端廠商都不願意采用。然而，開發者預計，隨著對降低射頻電路功耗的日益關註，海外終端制造商的數量也將增加。例如，隔離器開發企業之壹的村田制作所開發了壹種PA模塊，將PA、濾波器和隔離器(穩定器)集成在壹個封裝中，並已開始供貨(圖25)。該公司通過整合縮小了產品規模，並利用這壹優勢積極向日本國內外的終端廠商推銷。