Hur man optimerar SWaP i RF-signalkedjor med hög prestanda

Efterfrågan på trådlös högprestandauppkoppling fortsätter att öka i ett allt större antal tillämpningar, från smartphones till bärbara datorer, surfplattor, bärbara enheter, drönare, accesspunkter, smarta hem och IoT-aktiverade apparater (Internet of Things). För konstruktörer av dessa enheter är slutanvändarens upplevelse en viktig skillnad, som till stor del bestäms av den trådlösa signalens kvalitet, hastighet och tillförlitlighet på dataflödet samt batteritid. Enhetens storlek och vikt är också viktiga differentieringsfaktorer, särskilt när det gäller bärbara enheter. För konstruktörer kräver optimering av dessa parametrar en noggrann granskning av alla aspekter av radiofrekvensens (RF) signalkedja, vilket kan vara en svår utmaning för både experter och RF-nybörjare.

Denna artikel går igenom olika delar av RF-signalkedjan och beskriver hur antenntuners, RF-korsswitchar, antenndiversitetsswitchar, lågbrusiga förstärkare (LNA) och lågbrusiga RF-transistorer bidrar till högprestandalösningar, samt tittar på alternativ för styrgränssnitt. Därefter presenteras exemplariska komponenter från Infineon och det visas hur de stöder RF-konstruktioner med hög prestanda samtidigt som de uppfyller de alltmer krävande kraven på storlek, vikt och effekt (SWaP). Avslutningsvis jämförs två små, benlösa kapslingar (TSNP) för kompakta RF-lösningar.

Antennens viktigaste egenskaper

Antennprestanda är avgörande för dagens uppkopplade enheter. Genom att ställa in antennen kan en enda antenn ge god prestanda i flera frekvensband och bidra till en mer kompakt och effektiv lösning. Konstruktörer kan använda switchar i antenntunersektionen i RF-signalkedjan för att maximera effektöverföringen till antennen och optimera prestandan i enlighet med de specifika tillämpningskraven (figur 1).

Figur 1: Antenntuningswitchar används i tunerdelen för att optimera antennens prestanda. (Bildkälla: Infineon)

RF-korsswitchar

I många tillämpningar är antenntuning ett nödvändigt men inte tillräckligt villkor för att säkerställa optimal prestanda. I dessa fall kan mer än en antenn behövas. En RF-korsswitch kan läggas till i signalkedjan för att möjliggöra val av den antenn som ger bäst prestanda i en given situation, genom att öka sändningseffekten eller mottagarkänsligheten (figur 2). RF-korsswitchar måste ge effektiv och snabb switchning för att underlätta användbara antennbyten, och de måste ha hög isolering, låga införingsförluster och generera låga övertoner för att stödja effektiv och tillförlitlig systemdrift.

Figur 2: Användning av en RF-korsswitch gör det möjligt att välja den bästa antennen för både sändning och mottagning. (Bildkälla: Infineon)

Diversitetsswitchar och LNA:er

Ibland räcker det fortfarande inte att byta till den bästa antennen för att klara den nödvändiga bandbredden. När detta sker läggs en ytterligare kanal, en så kallad diversitetssignalbana, till i RF-signalkedjan. Antenndiversitet förbättrar kvaliteten och tillförlitligheten i både sändning och mottagning. Diversitetsswitchar används i en mängd olika tillämpningar, från Wi-Fi-nätverksutrustning till smartphones och surfplattor. Dessa switchar kan användas för att kompensera för flervägsstörningar vid signalmottagning. Mottagaren övervakar de inkommande signalerna och växlar mellan antennerna utifrån den relativa signalstyrkan. Precis som i fallet med RF-korsswitchar måste diversitetsswitchar ha hög isolering, låga införingsförluster och generera låga övertoner.

LNA:er är en annan viktig del av RF-signalkedjan (figur 3). I likhet med de olika metoderna för antennhantering kan användningen av LNA:er förbättra mottagningskvaliteten och öka datahastigheten. LNA:er finns med fast förstärkning eller med flera förstärkningssteg som kan användas för att finjustera prestandan. LNA:er baserade på MMIC-teknik (monolitisk integrerad mikrovågskrets) har traditionellt tillverkats med GaAs-teknik (galliumarsenid). Nyutvecklade LNA-baserade MMIC:ar av kiselgermanium (SiGe) kan stödja de nödvändiga frekvenserna till en lägre kostnad. LNA:er är mycket kompakta komponenter som lätt kan integreras i mycket små kapslingar. Dessutom finns LNA-baserade MMIC:ar tillgängliga med integrerat skydd mot elektrostatisk urladdning (ESD), och deras låga energiförbrukning gör dem väl lämpade för mobila enheter och bärbara produkter där SWaP är viktigt att ta hänsyn.

Figur 3: Användning av diversitetsswitchar och LNA:er kan bidra till att förbättra mottagningskvaliteten och öka datahastigheten. (Bildkälla: Infineon)

Styrgränssnitt

Antenntuningswitchar, korsswitchar och diversitetsswitchar kräver i allmänhet ett gränssnitt mot systemkontrollen. I enkla implementeringar används ofta ett GPIO-gränssnitt (General Purpose Input/Output). En GPIO är en signalpinne på en IC som kan programmeras för att fungera som en ingång eller utgång, eller båda, efter behov.

För mer komplexa styrbehov används i allmänhet MIPI-standarden (Mobile Industry Processor Interface). Styrgränssnittet för MIPI RF-frontsektionen (RFFE) har optimerats för användning i RF-signalkedjor med hög prestanda för att ge snabba, halvautomatiska och omfattande styrfunktioner. MIPI RFFE kan innehålla upp till 19 enheter per buss (upp till fyra ledarenheter och 15 följarenheter). Den är utformad för användning med LNA:er, antenntuners, switchar, effektförstärkare och filter. MIPI RFFE kan underlätta design, konfiguration och integration av RF-signalkedjor och stöder användning av komponenter från olika leverantörer.

MIPI-styrbar LNA

Konstruktörer kan använda LNA:n BGA9H1MN9E6329XTSA1 från Infineon för RF-signalkedjor med hög prestanda. MIPI-gränssnittet kan styra de åtta förstärkningslägena och de elva förspänningslägena för att öka systemets dynamiska intervall genom att aktivt anpassa sig till förändrade förhållanden i RF-miljön (figur 4). Den är utformad för användning i 3GPP-banden mellan 1,4 och 2,7 gigahertz (GHz) (främst för banden B1, B3, n41 och B21). Den kan ge ett brusvärde på 0,6 decibel (dB) och upp till 20,2 dB förstärkning med en strömstyrka på 5,8 milliampere (mA). Den fungerar med matningsspänningar från 1,1 till 2,0 volt och är kvalificerad för industriella tillämpningar enligt JEDEC47/20/22.

Figur 4: MIPI-gränssnittet på denna LNA kan styra åtta förstärkningslägen och 11 biaslägen för prestandaoptimering. (Bildkälla: Infineon)

Den har flera funktioner som hjälper till att uppfylla de utmanande SWaP-kraven, bland annat:

• Storlek: TSNP-9-kapslingen med nio kontakteringar mäter 1,1 × 1,1 millimeter (mm), och dess höjd på 0,375 mm gör den väl lämpad för tillämpningar i begränsade utrymmen.
• Vikt: TSNP-9-kapslingen har optimerats för användning där låg vikt är ett krav.
• Effekt: BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA har en bypasström på endast 2 µA, vilket förlänger batteritiden.

Antenn-diversitetsswitchar

BGS12WN6E6327XTSA1, en bredbandig SPDT-diversitetsswitchar (single pole double throw) från Infineon, har en typisk switchningshastighet på 160 ns, plus integrerad styrlogik (decoder) och ESD-skydd (figur 5). De två portarna är utformade för användning i Wi-Fi-, Bluetooth- och ultrabredbandiga RF-signalkedjor och kan anslutas till en diversitetsantenn och hantera upp till 26 dB, refererat till 1 milliwatt (dBm). Den tillverkas med MOS-teknik och ger samma prestanda som en GaAs-komponent, men eliminerar behovet av externa DC-blockeringskondensatorer på RF-portarna om inte en extern DC-spänning förväntas appliceras.

Chipet innehåller CMOS-logik som drivs av en enda CMOS- eller TTL-kompatibel styrsignal. Den har en hög port-till-port-isolering och låga införingsförluster upp till 9 GHz. För att minska storlek och vikt levereras enheten i en PG-TSNP-6-10-kapsling som mäter 0,7 × 1,1 mm med en maximal höjd på 0,375 mm. Den kan drivas med matningsspänningar på upp till 4,2 volt med en typisk matningsström på 36 µA och en styrström på 2 nanoampere (nA), vilket maximerar drifttiden i batteridrivna enheter.

Figur 5: SPDT-diversitetsswitchen BGS12WN6E6327XTSA1 kan koppla om på 160 ns och har integrerad styrlogik och ESD-skydd. (Bildkälla: Infineon)

RF-korsswitchar

Infineons RF CMOS-korsswitchar BGSX22G6U10E6327XTSA1 är särskilt utformade för GSM-, WCDMA-, LTE- och 5G-tillämpningar. Denna dubbelpoliga double-throw-brytaren (DPDT) har låg införingsförluster vid frekvenser upp till 7,125 GHz, låg generering av harmoniska övertoner och hög isolering mellan dess RF-portar. Dess omslagstid på 1,3 mikrosekunder (µs) möjliggör stöd för 5G-tillämpningar för SRS (Sounding Reference Signal). Den har ett GPIO-gränssnitt och kan drivas med matningsspänningar från 1,6 till 3,6 volt. PG-ULGA-10-kapslingen mäter 1,1 × 1,5 mm, är 0,60 mm tjock och är optimerad för tillämpningar där utrymme och vikt är begränsande faktorer. Denna strömsnåla enhet har en typisk matningsström på 25 µA och en styrström på 2 nA.

Antenntuningswitch

Konstruktioner som kräver en SP4T-antenntuningswitchar (single-pole four-throw) optimerad för tillämpningar upp till 7,125 GHz kan använda Infineons BGSA14M2N10E6327XTSA1. De fyra portarna med 0,85 ohm (Ω) on-resistance är konstruerade för användning i tillämpningar med hög Q-tuning. Det digitala styrgränssnittet MIPI RFEE förenklar implementeringen i RF-signalkedjor. Dess toppspänningskapacitet på 45 volt och låga kapacitans på 160 femtofarad (fF) i OFF-tillstånd gör den väl lämpad för att switcha induktorer och kondensatorer i RF-antennmatchningskretsar utan betydande förluster (figur 6). TSNP-10-9-kapslingen på 1,3 × 0,95 mm och 0,375 mm höjd i kombination med en strömförbrukning på 22 µA gör att denna enhet kan stödja krävande SWaP-tillämpningar.

Figur 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 kan effektivt switcha om induktorer och kondensatorer i RF-antennmatchningskretsar. (Bildkälla: Infineon)

RF-transistorer

En RF-signalkedja med hög prestanda börjar med transceiver- och RF-förstärkarsektionen. Detta kräver RF-effekttransistorer som den bredbandiga NPN RF bipolära heterojunction-transistorn (HBT) BFP760H6327XTSA1 från Infineon med följande egenskaper:

• Lågt lägsta brusvärde (NF_min) på 0,95 dB vid 5,5 GHz, 3 volt, 10 mA
• Hög maximal effektförstärkning (G_ms) på 16,5 dB vid 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA
• Hög linjäritet med 3:e ordningens interceptpunkt vid utgång (OIP₃) på 27 dBm vid 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA

Denna effekttransistor är kvalificerad för industriella tillämpningar. Den är utformad för användning i trådlösa och satellitkommunikationssystem, GPS-navigatorer, mobila multimediaenheter och andra RF-tillämpningar med hög prestanda.

Alternativ för TSNP-kapslingar

TSNP-kapslingarnas lilla storlek kräver stabila geometritoleranser på mönsterkortet, och man bör därför använda en NSMD-design (non-solder mask defined). Padtoleranserna för NSMD är lägre än för paddar med lödmask. För NSMD bör banorna på kretskortet vara 100 µm eller mindre. Typiskt sett utformas mönsterkortspads för TSNP-brytare med enbart botten, vilket används av lågeffektförstärkaren BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA, antenndiversitetsswitchen BGS12WN6E6327XTSA1 och antenntunerswitchen BGSA14M2N10E6327XTSA1 som beskrivs ovan, genom att överföra kapslingens ytterkontur och lägga till 25 µm runt padsidorna.

Konstruktörer måste vara medvetna om att det finns mer än ett utförande för TSNP-paddar. Det finns standardpads och så finns det pads som är utformade för okulärinspektion av benspetsar (LTI) (Figur 7). LTI-komponenter kräver ett större monteringsområde eftersom kretskortet måste sträcka sig utanför kapslingens ytterkontur med minst 400 μm (figur 7). Även om LTI-konstruktionen stöder okulär inspektion, är den kanske inte lämplig för SWaP-kritiska konstruktioner som kräver minsta möjliga produktstorlek.

Figur 7: TSNP-paket finns tillgängliga som använder standardkuddar (vänster) eller större kuddar optimerade för optisk LTI (höger). (Bildkälla: Infineon)

Slutsats

SWaP-överväganden är viktiga när man specificerar antenntuners, RF-korsswitchar, diversitetsswitchar, LNA:er och lågbrusiga RF-transistorer i många bärbara och bärbara trådlösa enheter. Som framgår erbjuder Infineon konstruktörer en rad enheter för användning i RF-signalkedjetillämpningar med hög prestanda som också klarar höga SWaP-krav. Med hjälp av dessa enheter kan konstruktörerna optimera tillförlitligheten och bandbredden i RF-signalkedjan och förlänga batteriets livslängd.

Rekommenderad läsning

1. Hur man använder digitala temperatursensorer med hög noggrannhet i bärbara enheter för hälsokontroll
2. Översikt över trådlös IoT-teknik