Jak optimalizovat SWaP ve vysoce výkonných RF signálových řetězcích

V rozšiřujícím se spektru aplikací od chytrých telefonů až po notebooky, tablety, nositelnou elektroniku, drony, přístupové body a zařízení pro chytrou domácnost a internet věcí (IoT) se neustále zvyšuje poptávka po vysoce výkonném bezdrátovém připojení. Pro konstruktéry těchto zařízení je kritickým odlišovacím prvkem zkušenost koncového uživatele, která je z velké části určena kvalitou, propustností a spolehlivostí bezdrátového signálu, jakož i životností baterie. Důležitými odlišovacími prvky jsou také velikost a hmotnost zařízení, zejména u nositelné elektroniky. Pro konstruktéry vyžaduje optimalizace pro tyto parametry podrobný pohled na všechny aspekty radiofrekvenčního (RF) signálového řetězce, což může být odrazující výzvou jak pro odborníky, tak pro začátečníky v oblasti RF.

Tento článek shrnuje různé části RF signálového řetězce a popisuje, jak anténní tunery, RF křížové přepínače, anténní diverzitní přepínače, nízkošumové zesilovače (LNA) a nízkošumové RF tranzistory přispívají k vysoce výkonným řešením. Dále se zabývá možnostmi ovládacího rozhraní. Poté představuje ukázkové součásti od společnosti Infineon a ukazuje, jak podporují vysoce výkonné RF konstrukce při současném splnění stále náročnějších požadavky na velikost, hmotnost a výkon (SWaP). Nakonec porovná dvě malá, bezolovnatá pouzdra (TSNP) pro kompaktní RF řešení.

Základní prvky antény

Výkon antény je u dnešních připojených zařízení kriticky důležitý. Ladění může jediné anténě zajistit poskytování kvalitního výkonu v několika frekvenčních pásmech a přispět ke kompaktnějšímu a efektivnějšímu řešení. Konstruktéři mohou použít přepínače v sekci anténního tuneru RF signálového řetězce k maximalizaci přenosu energie do antény a optimalizaci výkonu podle požadavků konkrétní aplikace (obrázek 1).

Obrázek 1: přepínače ladění antény se používají v sekci tuneru pro optimalizaci výkonu antény. (Zdroj obrázku: Infineon)

RF křížové spínače

V mnoha aplikacích je ladění antény nezbytnou, nikoli však postačující podmínkou pro zajištění optimálního výkonu. V těchto případech může být potřeba více než jedné antény. K signálovému řetězci lze přidat RF křížový přepínač umožňující výběr antény, která poskytuje nejlepší výkon v dané situaci zvýšením vysílacího výkonu nebo citlivosti přijímače (obrázek 2). RF křížové přepínače musejí poskytovat účinné a rychlé přepínání, aby podporovaly výběr vhodných antén, mít vysokou izolaci, nízké vložené ztráty a generovat nízkou míru harmonických, aby podporovaly efektivní a spolehlivý provoz systému.

Obrázek 2: použití křížového RF přepínače umožňuje výběr nejvýkonnější antény pro kanály uplink a downlink. (Zdroj obrázku: Infineon)

Diverzitní přepínače a LNA

V některých případech není přepnutí na nejlepší anténu stále dostatečné k podpoře požadované šířky pásma. V takových případech se do řetězce RF signálů přidá další kanál s názvem cesta diverzity. Diverzita antén zlepšuje kvalitu a spolehlivost vysílání a příjmu. Přepínače diverzity se používají v celé řadě aplikací, od síťových zařízení Wi-Fi po chytré telefony a tablety. Tyto přepínače lze použít ke kompenzaci vícecestného rušení během příjmu signálu. Přijímač monitoruje příchozí signály a přepíná mezi anténami na základě relativní síly signálu. Stejně jako v případě RF křížových přepínačů musí mít diverzitní přepínače vysokou izolaci, nízké vložené ztráty a generovat nízkou míru harmonických.

Další klíčovou součástí řetězce RF signálů jsou nízkošumové zesilovače (LNA) (obrázek 3). Použití zesilovačů LNA může zlepšit kvalitu příjmu a zvýšit rychlost přenosu dat podobně jako různé koncepce správy antén. Zesilovače LNA jsou k dispozici s pevným ziskem nebo s vícenásobnými zesilovacími stupni, které lze použít k jemnému doladění výkonu. Zesilovače LNA založené na technologii monolitických mikrovlnných integrovaných obvodů (MMIC) byly tradičně vyráběny pomocí technologie arsenidu galia (GaAs). Nedávno vyvinuté křemíko-germaniové (SiGe) zesilovače LNA MMIC mohou podporovat potřebné frekvence při nižších nákladech. Zesilovače LNA jsou vysoce kompaktní součástky, která lze snadno integrovat do velmi malých pouzder. Zesilovače LNA MMIC jsou dále k dispozici s integrovanou ochranou proti elektrostatickým výbojům (ESD) a díky nízké spotřebě energie jsou vhodné pro mobilní zařízení a nositelnou elektroniku, kde je SWaP důležitým faktorem.

Obrázek 3: použití diverzních přepínačů a zesilovačů LNA může pomoci zlepšit kvalitu příjmu a zvýšit rychlost přenosu dat. (Zdroj obrázku: Infineon)

Ovládací rozhraní

Přepínače ladění antény, křížové přepínače a diverzitní přepínače obecně vyžadují rozhraní se systémovým ovladačem. V jednoduchých implementacích se často používá rozhraní GPIO (General-purpose Input/output). GPIO je softwarově ovladatelný, nepřidělený signálový pin na integrovaném obvodu, který lze naprogramovat tak, aby podle potřeby plnil funkci vstupu, výstupu nebo obou.

Pro potřeby složitějšího ovládání se obecně používá standard MIPI (Mobile Industry Process Interface). Ovládací rozhraní MIPI RF front-end (RFFE) bylo optimalizováno pro použití ve vysoce výkonných RF signálových řetězcích, aby poskytovalo rychlé, poloautomatické a rozsáhlé ovládací funkce. Rozhraní MIPI RFFE může zahrnovat až 19 zařízení na sběrnici (až čtyři hlavní a 15 sledovacích zařízení). Rozhraní je navrženo pro použití se zesilovači LNA, anténními tunery, přepínači, výkonovými zesilovači a filtry. Rozhraní MIPI RFFE může usnadnit návrh, konfiguraci a integraci RF signálových řetězců a podporuje také použití součástek od různých dodavatelů.

Zesilovače LNA ovladatelné pomocí rozhraní MIPI

Pro vysoce výkonné RF signálové řetězce mohou konstruktéři využít zesilovač LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 od společnosti Infineon. Rozhraní MIPI může ovládat osm režimů zesílení a 11 bias režimů pro zvýšení dynamického rozsahu systému aktivním přizpůsobením měnícím se podmínkám v RF prostředí (obrázek 4). Je navrženo pro použití v pásmech 3GPP mezi 1,4 a 2,7 GHz (primárně pro pásma B1, B3, n41 a B21). Může poskytnout šumové číslo 0,6 dB a zisk až 20,2 dB při proudu 5,8 mA. Rozhraní pracuje s napájecím napětím od 1,1 do 2,0 V a je kvalifikováno pro průmyslové aplikace podle normy JEDEC47/20/22.

Obrázek 4: Pro optimalizaci výkonu je rozhraní MIPI na tomto zesilovači LNA schopné řídit osm provozních režimů zisku a 11 bias režimů. (Zdroj obrázku: Infineon)

Rozhraní má několik funkcí pomáhajících splnit náročné požadavky SWaP, včetně:

• Velikosti: devítipinové pouzdro TSNP-9 měří 1,1 × 1,1 mm a jeho výška 0,375 mm jej předurčuje pro aplikace s omezeným prostorem.
• Hmotnosti: pouzdro TSNP-9 bylo optimalizováno pro použití v situacích, kde je vyžadována nízká hmotnost.
• Napájení: zesilovač LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 vykazuje obtokový proud pouze 2 µA, což prodlužuje dobu chodu na baterii.

Diverzitní přepínač antény

Jednopólový, dvoucestný (SPDT) širokopásmový diverzitní přepínač BGS12WN6E6327XTSA1 od společnosti Infineon má typickou rychlost přepínání 160 ns, plus integrovanou řídicí logiku (dekodér) a ochranu proti elektrostatickým výbojům (ESD) (obrázek 5). Přepínač je navržen pro použití ve Wi-Fi, Bluetooth a ultra-širokopásmových RF signálových řetězcích a jeden z jeho dvou portů lze připojit k diverzitní anténě a zvládat tak zisk až 26 dB, vztažených na 1 miliwatt (dBm). Přepínač je vyroben pomocí technologie MOS a ačkoli nabízí výkonnost součástky GaAs, odstraňuje potřebu externích stejnosměrných blokovacích kondenzátorů na RF portech, pokud se neočekává použití externího stejnosměrného napětí.

Čip obsahuje logiku CMOS ovládanou jediným řídicím signálem kompatibilním s CMOS nebo TTL. Vyznačuje se vysokou izolací mezi porty a nízkými vloženými ztrátami až do 9 GHz. Pro snížení velikosti a hmotnosti je součástka dodávána v pouzdru PG-TSNP-6-10 o rozměrech 0,7 × 1,1 mm s maximální výškou 0,375 mm. Přepínač je schopen pracovat s napájecím napětím do 4,2 V s typickým napájecím proudem 36 µA a řídicím proudem 2 nA, což maximalizuje dobu provozu v zařízeních napájených z baterie.

Obrázek 5: diverzitní přepínač BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT obsahující integrovanou řídicí logiku a ESD ochranu dokáže přepínat v čase 160 ns. (Zdroj obrázku: Infineon)

RF křížový přepínač

Křížový přepínač RF CMOS BGSX22G6U10E6327XTSA1 od společnosti Infineon je speciálně navržen pro aplikace GSM, WCDMA, LTE a 5G. Tento dvoupólový, dvoucestný přepínač (DPDT) se vyznačuje nízkými vloženými ztrátami na frekvencích až 7,125 GHz, generováním nízké míry harmonických a vysokou izolací mezi svými RF porty. Jeho spínací čas 1,3 µs umožňuje podporu aplikací 5G zvukových referenčních signálů (SRS). Přepínač používá ovládací rozhraní GPIO a pracuje s napájecím napětím 1,6 až 3,6 V. Pouzdro PG-ULGA-10 měří 1,1 × 1,5 mm, má tloušťku 0,60 mm a je optimalizováno pro prostorově a hmotnostně omezené aplikace. Tato součástka s nízkou spotřebou odebírá typický napájecí proud 25 µA a řídicí proud 2 nA.

Přepínač ladění antény

V konstrukcích vyžadujících jednopólové čtyřcestné (SP4T) přepínání ladění antény optimalizované pro aplikace do 7,125 GHz lze využívat přepínač BGSA14M2N10E6327XTSA1 od společnosti Infineon. Čtyři odporové porty 0,85 Ω jsou navrženy pro použití v aplikacích ladění vysokého Q. Digitální ovládací rozhraní MIPI RFEE zjednodušuje implementaci do RF signálových řetězců. Díky své schopnosti ovládat napětí 45 V ve špičkách a nízké kapacitě 160 femtofaradů (fF) ve vypnutém stavu se stává vhodným pro spínání induktorů a kondenzátorů v obvodech přizpůsobení RF antény bez významných ztrát (obrázek 6). Díky pouzdru TSNP-10-9 o rozměrech 1,3 × 0,95 mm, výšce 0,375 mm a odběru proudu 22 µA je tato součástka schopná podporovat náročné aplikace SWaP.

Obrázek 6: přepínač BGSA14M2N10E6327XTSA1 je schopen efektivně přepínat induktory a kondenzátory v obvodech přizpůsobení RF antény. (Zdroj obrázku: Infineon)

RF tranzistory

Vysoce výkonný RF signálový řetězec začíná sekcí transceiveru a RF zesilovače. Takové řešení vyžaduje použití RF výkonových tranzistorů, jakým je např. širokopásmový NPN RF bipolární tranzistor s heteropřechodem (HBT) BFP760H6327XTSA1 od společnosti Infineon, který má následující vlastnosti:

• Nízké minimální šumové číslo (NF_min) 0,95 dB při 5,5 GHz, 3 V, 10 mA
• Vysoký maximální výkonový zisk (G_ms) 16,5 dB při 5,5 GHz, 3 V, 30 mA
• Vysoká linearita s intermodulačním průsečíkem 3. řádu na výstupu (OIP₃) 27 dBm při 5,5 GHz, 3 V, 30 mA

Tento výkonový tranzistor je vhodný pro průmyslové aplikace. Tranzistor je navržen pro použití v bezdrátových a satelitních komunikačních systémech, navigačních GPS zařízeních, mobilních multimediálních zařízeních a dalších vysoce výkonných RF aplikacích.

Možnosti pouzdra TSNP

Malá velikost pouzder TSNP vyžaduje stabilní geometrické tolerance na obvodové desce a měla by být použita podložka s definovanou nepájivou maskou (NSMD). Tolerance podložek pro technologii NSMD jsou nižší v porovnání s pájecím odporem. Při použití technologie NSMD by spoje na obvodové desce měly mít šířku 100 µm nebo méně. Podložky na obvodové desce pro pouzdra TSNP s vývody pouze na spodní straně, která se používají u výše uvedeného LNA zesilovače BGA9H1MN9E6329XTSA1, anténního diverzitního přepínače BGS12WN6E6327XTSA1 a přepínače ladění antény BGSA14M2N10E6327XTSA1, se nejčastěji navrhují přesením obrysu podložky pouzdra a přidáním 25 µm po stranách podložky.

Konstruktéři musejí pamatovat na skutečnost, že podložky pouzdra TSNP existují ve více provedeních. Existuje standardní podložka a také podložky určené pro optickou kontrolu hrotu elektrody (LTI) (obrázek 7). Zařízení LTI vyžadují větší montážní plochu, protože podložka na obvodové desce musí přesahovat obrys pouzdra minimálně o 400 μm (obrázek 7). Ačkoli provedení s LTI podporuje optickou kontrolu, nemusí být vhodné pro kriticky důležité konstrukce SWaP, které vyžadují nejmenší možnou velikost řešení.

Obrázek 7: k dispozici jsou pouzdra TSNP, které používají standardní podložky (vlevo) nebo větší podložky optimalizované pro optickou kontrolu LTI (vpravo). (Zdroj obrázku: Infineon)

Závěr

Při návrhu anténních tunerů, RF křížových přepínačů, anténních diverzitních přepínačů, zesilovačů LNA a nízkošumových RF tranzistorů pro širokou škálu přenosných a nositelných bezdrátových zařízení jsou důležitá kritéria SWaP. Bylo ukázáno, že společnost Infineon nabízí konstruktérům celou řadu součástek pro použití v aplikacích vysoce výkonných RF signálových řetězců, které mohou uspokojit i náročné požadavky SWaP. S použitím těchto součástek mohou konstruktéři optimalizovat spolehlivost a šířku pásma RF signálového řetězce a prodloužit životnost baterie.

Doporučeno k přečtení

1. Jak používat vysoce přesné digitální teplotní senzory v nositelné elektronice na monitorování zdraví
2. Přehled bezdrátových technologií pro IoT