Hvordan man optimerer SWaP RF-signalkæder med høj ydeevne

Efterspørgslen efter højtydende trådløse forbindelser fortsætter med at stige på tværs af en stadig bredere vifte af applikationer, fra smartphones til bærbare computere, tablets, wearables, droner, adgangspunkter og smart home- og Internet of Things (IoT)-aktiverede apparater. For designere af disse enheder er slutbrugerens oplevelse en afgørende forskel, som i høj grad afhænger af kvaliteten, gennemstrømningen og pålideligheden af det trådløse signal samt batterilevetiden. Enhedens størrelse og vægt er også vigtige differentiatorer, især inden for wearables. For designere kræver optimering af disse parametre et nøje kig på alle aspekter af radiofrekvenssignal-kæden (RF), hvilket kan være en stor udfordring for både RF eksperter og begyndere.

I denne artikel gennemgår vis forskellige dele af RF-signalkæden og beskrives, hvordan antenne tunere, RF-krydsswitche, antenne diversitets-switche, støjsvage forstærkere (LNA'er) og støjsvage RF-transistorer bidrager til højtydende løsninger, ligesom der ses på mulighederne for kontrolinterface. Derefter præsenteres eksemplariske komponenter fra Infineon og viser, hvordan de understøtter højtydende RF-designs og samtidig opfylder de stadig mere krævende krav til størrelse, vægt og effekt (SWaP). Den afsluttes med en sammenligning af to små, blyfri pakninger (TSNP) til kompakte RF-løsninger.

Vigtige oplysninger om antenner

Antenne-performance er afgørende i nutidens tilsluttede enheder. Tuning kan gøre det muligt for en enkelt antenne at yde en god performance i flere frekvensbånd og bidrage til en mere kompakt og effektiv løsning. Designere kan bruge switche i antenne tuner delen af RF-signalkæden til at maksimere strømoverførslen til antennen og optimere ydeevnen i overensstemmelse med de specifikke applikationskrav (Figur 1).

Figur 1: Atennetunings-switche bruges i tunerdelen til at optimere antennens ydeevne. (Billedkilde: Infineon)

RF-krydswitche

I mange anvendelser er antenne afstemning en nødvendig, men ikke tilstrækkelig betingelse for at sikre optimal ydeevne. I disse tilfælde kan der være behov for mere end én antenne. Der kan tilføjes en RF-krydsswitche til signalkæden for at gøre det muligt at vælge den antenne, der giver den bedste performance i en given situation, ved at øge sendeeffekten eller modtagerens følsomhed (figur 2). RF-krydsswitche skal give effektiv og hurtig switching for at understøtte nyttige antenne skift, og de skal have høj isolation, lavt indskydningsdæmpning og generere lave harmoniske frekvenser for at understøtte effektiv og pålidelig systemdrift.

Figur 2: Brugen af en RF-krydsswitch gør det muligt at vælge den bedst fungerende antenne til uplinks eller downlinks. (Billedkilde: Infineon)

Diversitets-switche og LNA'er

Nogle gange er det stadig ikke tilstrækkeligt at skifte til den bedste antenne til at understøtte den nødvendige båndbredde. Når det sker, tilføjes der en ekstra kanal kaldet diversitetsstien til RF-signalkæden. Antenne diversitet forbedrer kvaliteten og pålideligheden af transmission og modtagelse. Diversitets-switche bruges i en række applikationer, fra Wi-Fi-netværksudstyr til smartphones og tablet-computere. Disse switche kan bruges til at kompensere for multibaneinterferens ved signalmodtagelse. Modtageren overvåger de indgående signaler og skifter mellem antennerne på grundlag af de relative signalstyrker. Ligesom i tilfælde af RF-krydsswitche skal diversitets-switche have høj isolation, lave indsætningstab og generere lave harmoniske overtoner.

LNA'er er en anden vigtig del af RF-signalkæden (Figur 3). Ligesom de forskellige tilgange til antennestyring kan brugen af LNA'er forbedre modtagekvaliteten og øge datahastigheden. LNA'er er tilgængelig med en fast forstærkning eller med flere forstærkningstrin, der kan bruges til at finjustere ydeevnen. LNA'er baseret på MMIC-teknologi (monolitisk integreret mikrobølgekredsløb) er traditionelt blevet fremstillet ved hjælp af GaAs-teknologi (galliumarsenid). Nyere udviklede silicium germanium (SiGe) LNA MMIC'er kan understøtte de nødvendige frekvenser til en lavere pris. LNA'er er meget kompakte enheder, der let kan integreres i meget små pakninger. Desuden er tilgængelig LNA MMIC'er med integreret beskyttelse mod elektrostatisk udladning (ESD), og deres lave strømforbrug gør dem velegnede til mobile enheder og wearables, hvor SWaP er en vigtig faktor.

Figur 3: Brugen af diversitets-switche og LNA'er kan bidrage til at forbedre modtagekvaliteten og øge datahastigheden. (Billedkilde: Infineon)

Kontrolinterface

Antenne tunings switche, krydskontakter og diversitets-switche kræver generelt et interface med system-controlleren. I enkle implementeringer anvendes ofte en GPIO-interface (GPIO) til generelle ind-/udgangsfunktioner. En GPIO er en ubeskrevet softwarestyret signalben på en IC, der kan programmeres til at fungere som indgang eller udgang eller begge dele efter behov.

Til mere komplekse kontrolbehov anvendes generelt MIPI-standarden (Mobile Industry Processor Interface). MIPI RF front-end (RFFE) kontrolinterface er optimeret til brug i højtydende RF-signalkæder for at give hurtige, halvautomatiske og omfattende kontrolfunktioner. MIPI RFFE kan indeholde op til 19 enheder pr. bus (op til fire førende enheder og 15 følgere enheder). Den er designet til brug med LNA'er, antennetunere, switche, effektforstærkere og filtre. MIPI RFFE kan lette design, konfiguration og integration af RF-signalkæder, og den understøtter brugen af komponenter fra forskellige leverandører.

MIPI-styrbar LNA

Designere kan bruge BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA'en fra Infineon til højtydende RF-signalkæder. MIPI-interfacet kan styre de otte forstærkningstilstande og de 11 bias-tilstande for at øge systemets dynamikområde ved aktivt at tilpasse sig skiftende forhold i RF-miljøet (Figur 4). Den er designet til brug i 3GPP-båndene mellem 1,4 og 2,7 gigahertz (GHz) (primært for bånd B1, B3, n41 og B21). Den kan give et støjtal på 0,6 decibel (dB) og op til 20,2 dB forstærkning med en strømstyrke på 5,8 milliampere (mA). Den fungerer med forsyningsspændinger fra 1,1 til 2,0 volt og er kvalificeret til industrielle applikationer baseret på JEDEC47/20/22.

Figur 4: MIPI-interfacet på denne LNA kan styre otte forstærkningstilstande og 11 bias-tilstande til optimering af ydeevnen. (Billedkilde: Infineon)

Den har flere funktioner, der hjælper med at opfylde de udfordrende SWaP-krav, herunder:

• Størrelse: TSNP-9 med ni ben måler 1,1 × 1,1 mm, og dens højde på 0,375 mm gør den velegnet til applikationer med begrænset plads.
• Vægt: TSNP-9-pakken er optimeret til brug, hvor lav vægt er et krav.
• Strøm: BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA har en bypass-strøm på kun 2 mikroampere (µA), hvilket forlænger batteriets driftstid.

Antenne diversitets-switch

BGS12WN6E6327XTSA1 bredbånds single pole double throw (SPDT) diversity switch fra Infineon har en typisk switch-hastighed på 160 nanosekunder (ns) plus integreret styrelogik (dekoder) og ESD-beskyttelse (Figur 5). De to porte er designet til brug i Wi-Fi-, Bluetooth- og ultrabredbånds RF-signalkæder, og hver af de to porte kan tilsluttes til en diversity-antenne og håndtere op til 26 dB, refereret til 1 milliwatt (dBm). Den er fremstillet med MOS-teknologi og giver samme ydeevne som en GaAs-enhed, men eliminerer behovet for eksterne DC-blokeringskondensatorer på RF-portene, medmindre der forventes at blive anvendt en ekstern DC-spænding.

Chippen indeholder CMOS-logik, der drives af et enkelt CMOS- eller TTL-kompatibelt styresignal. Den har høj port-til-port isolation og lavt indsætningstab op til 9 GHz. For at reducere størrelse og vægt leveres enheden i en PG-TSNP-6-10 pakning, der måler 0,7 × 1,1 mm med en maksimal højde på 0,375 mm. Den kan fungere med forsyningsspændinger på op til 4,2 volt med en typisk forsyningsstrøm på 36 µA og en kontrolstrøm på 2 nanoampere (nA), hvilket maksimerer driftstiden i batteridrevne enheder.

Figur 5: BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT-diversitetsafbryderen kan skifte på 160 ns og omfatter integreret styrelogik og ESD-beskyttelse. (Billedkilde: Infineon)

RF-krydsafbryder

Infineons BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS krydsswitch er specielt designet til GSM-, WCDMA-, LTE- og 5G-applikationer. Denne DPDT-switch (double-pole double-throw) har et lavt indsætningstab ved frekvenser på op til 7,125 GHz, lav harmonisk generering og høj isolation mellem RF-portene. En koblingstid på 1,3 mikrosekunder (µs) muliggør understøttelse af 5G sounding reference signal (SRS) applikationer. Den har en GPIO-styringsinterface og fungerer med forsyningsspændinger fra 1,6 til 3,6 volt. PG-ULGA-10 pakken måler 1,1 × 1,5 mm, er 0,60 mm tyk og er optimeret til applikationer med plads- og vægtbegrænsninger. Denne enhed med lavt strømforbrug har en typisk forsyningsstrøm på 25 µA og en kontrolstrøm på 2 nA.

Antenne afstemnings-switch

Design, der kræver en SP4T antennetunings-switch (single-pole four-throw), der er optimeret til applikationer op til 7,125 GHz, kan bruge Infineons BGSA14M2N10E6327XTSA1. De fire 0,85 ohm (Ω) on-modstandsporte er designet til brug i applikationer med høj Q-tuning. Den digitale MIPI RFEE-styringsinterface forenkler implementeringen i RF-signalkæder. En spidsspændingskapacitet på 45 volt og lave kapacitet på 160 femtofarads (fF) i OFF-tilstand gør den velegnet til at skifte induktorer og kondensatorer i RF-antenne tilpasningskredsløb uden væsentlige tab (figur 6). TSNP-10-9-pakken på 1,3 × 0,95 mm, 0,375 mm høj, kombineret med et strømforbrug på 22 µA gør denne enhed i stand til at understøtte udfordrende SWaP-applikationer.

Figur 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 kan effektivt skifte induktorer og kondensatorer i RF-antenne tilpasningskredsløb. (Billedkilde: Infineon)

RF-transistorer

En højtydende RF-signalkæde begynder med transceiveren og RF-forstærkersektionen. Dette kræver RF-effekttransistorer som BFP760H6327XTSA1 bredbånds NPN RF heterojunction bipolartransistor (HBT) fra Infineon, der har:

• Lavt minimumsstøjtal (NF_min) på 0,95 dB ved 5,5 GHz, 3 volt, 10 mA
• elseHøj maksimal effektforøgelse (G_ms) på 16,5 dB ved 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA
• Høj linearitet med 3. ordens interceptpunkt ved udgangen (OIP₃) på 27 dBm ved 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA

Denne strømtransistor er kvalificeret til industrielle anvendelser. Den er designet til brug i trådløse og satellitkommunikationssystemer, GPS-navigationsenheder, mobile multimedieenheder og andre højtydende RF-applikationer.

TSNP-pakkemuligheder

TSNP-pakkernes lille størrelse kræver stabile geometriske tolerancer på PC-kortet, og der bør anvendes et NSMD (non-solder mask defined) underlags-design. Tolerancerne for NSMD-underlag er lavere end for lodresist. I forbindelse med NSMD skal sporene på PC-kortet være 100 mikrometer (µm) eller mindre. Typisk konstrueres PC-underlag til TSNP med kun bundkort, som anvendes af BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA'en, BGS12WN6E6327XTSA1 antenne diversitets-switch'en og BGSA14M2N10E6327XTSA1 antennetunings-switch, der er beskrevet ovenfor, ved at overføre pakkeplade omridset og tilføje 25 µm omkring siderne af underlagene.

Designere skal være opmærksomme på, at der er mere end én type TSNP-underlag. Der er standard underlag, og der er underlag, der er designet til optisk inspektion af blyspidser (LTI) (Figur 7). LTI-enheder kræver et større monteringsområde, da pc-kortunderlag skal strække sig mindst 400 μm ud over pakkeomridset (Figur 7). Selv om LTI-designet understøtter optisk inspektion, er det måske ikke egnet til SWaP-kritiske designs, der kræver den mindst mulige løsningsstørrelse.

Figur 7: Der findes TSNP-pakker, der bruger standard underlag (til venstre) eller større underlag optimeret til optisk LTI (til højre). (Billedkilde: Infineon)

Konklusion

SWaP-overvejelser er vigtige ved specifikation af antennetunere, RF-krydsswitche, antenne diversitets-switche, LNA'er og RF-transistorer med lav støj i en række bærbare og bærbare trådløse enheder. Som det fremgår, tilbyder Infineon designere en række enheder til brug i højtydende RF-signalkæde applikationer, der også kan opfylde krævende SWaP-krav. Ved hjælp af disse enheder kan designere optimere pålideligheden og båndbredden af RF-signalkæden og forlænge batteriets levetid.

Anbefalet læsning

1. Sådan bruges digitale temperatursensorer med høj nøjagtighed i wearables til sundhedsovervågning
2. Oversigt over trådløs teknologi til IoT