Optymalizacja rozmiarów, wagi i mocy (SWaP) w wysokoparametrowych łańcuchach sygnałowych RF

Zapotrzebowanie na wysokowydajną łączność bezprzewodową stale rośnie i obejmuje coraz szerszą gamę zastosowań, od smartfonów po laptopy, tablety, urządzenia ubieralne, drony, punkty dostępowe oraz urządzenia do inteligentnych domów oraz Internetu rzeczy (IoT). Dla projektantów wspomnianych urządzeń najważniejszym wyróżnikiem jest wygoda użytkownika końcowego, która w dużej mierze zależy od jakości, przepustowości i niezawodności sygnału bezprzewodowego, a także czasu pracy baterii. Rozmiary i waga urządzenia są również istotnymi wyróżnikami, szczególnie w przypadku urządzeń ubieralnych. Optymalizacja pod kątem tych parametrów wymaga od projektantów dokładnego przyjrzenia się wszystkim aspektom łańcucha sygnałowego częstotliwości radiowych (RF), co może być wyzwaniem przytłaczającym zarówno dla ekspertów, jak i nowicjuszy w dziedzinie RF.

W tym artykule omówiono poszczególne elementy łańcucha sygnałowego RF oraz opisano, w jaki sposób tunery antenowe, przełączniki krzyżowe RF, przełączniki automatycznego wyboru anteny zapewniającej najlepsze parametry transmisji, wzmacniacze niskoszumowe (LNA) i tranzystory niskoszumowe RF przyczyniają się do tworzenia rozwiązań o wysokich parametrach działania, a także przeanalizowano opcje interfejsu sterowania. W dalszej części artykułu przedstawiono przykładowe komponenty firmy Infineon i sposób, w jaki obsługują one wysokoparametrowe projekty RF, spełniając jednocześnie coraz bardziej wyśrubowane wymagania dotyczące rozmiarów, masy i mocy (SWaP). Na koniec porównano dwie opcje niewielkich kompaktowych rozwiązań RF w obudowach bezodprowadzeniowych (TSNP).

Najważniejsze informacje na temat anten

Parametry działania anteny mają znaczenie krytyczne dla współczesnych urządzeń połączonych. Dzięki dostrojeniu pojedyncza antena może zapewnić dobre parametry działania w kilku pasmach częstotliwości oraz przyczynić się do powstania bardziej kompaktowego i wydajnego rozwiązania. Projektanci mogą użyć przełączników łańcucha sygnałowego RF w sekcji tunera antenowego, aby zmaksymalizować transfer mocy do anteny i zoptymalizować parametry działania, dostosowując je do wymagań konkretnych zastosowań (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przełączniki dostrajania anteny zastosowane w sekcji tunera w celu zoptymalizowania parametrów działania anteny. (Źródło ilustracji: Infineon)

Przełączniki krzyżowe częstotliwości radiowych

W wielu zastosowaniach przestrojenie anteny jest warunkiem koniecznym, ale niewystarczającym, aby zapewnić optymalne parametry działania. W takich przypadkach może być potrzebna więcej niż jedna antena. Do łańcucha sygnałowego można dodać przełącznik krzyżowy RF, aby umożliwić wybór anteny zapewniającej najlepsze parametry działania w danej sytuacji, poprzez zwiększenie mocy nadawania lub czułości odbiornika (Ilustracja 2). Przełączniki krzyżowe RF muszą zapewniać sprawne i szybkie przełączanie, aby mogły obsługiwać konieczne zmiany anten, a także muszą charakteryzować się wysoką izolacją, niską tłumiennością wtrąceniową i generować niskie harmoniczne, aby wspierać sprawną i niezawodną pracę systemu.

Ilustracja 2: zastosowanie przełącznika krzyżowego RF umożliwia wybór najlepszej anteny dla łączy w górę i w dół. (Źródło ilustracji: Infineon)

Przełączniki wieloantenowe i wzmacniacze niskoszumowe LNA

Czasami przełączenie na najlepszą antenę nadal jest niewystarczające do zapewnienia wymaganej szerokości pasma. W takim przypadku do łańcucha sygnałowego częstotliwości radiowych dodawany jest dodatkowy kanał, zwany ścieżką wieloantenową. Transmisja wieloantenowa poprawia jakość i niezawodność transmisji i odbioru. Przełączniki wieloantenowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, od sprzętu sieciowego Wi-Fi po smartfony i tablety. Przełączniki te mogą być stosowane do kompensacji zakłóceń wielościeżkowych w odbiorze sygnału. Odbiornik monitoruje sygnały przychodzące i przełącza pomiędzy antenami zależnie od względnej siły sygnału. Podobnie jak w przypadku przełączników krzyżowych RF, przełączniki wieloantenowe muszą charakteryzować się wysoką izolacją, niską tłumiennością wtrąceniową i generować niskie harmoniczne.

Kolejnym kluczowym elementem łańcucha sygnałowego RF są wzmacniacze niskoszumowe LNA (Ilustracja 3). Podobnie jak w przypadku poszczególnych sposobów zarządzania antenami, zastosowanie wzmacniaczy LNA może poprawić jakość odbioru i zwiększyć szybkość przesyłu danych. Wzmacniacze niskoszumowe (LNA) mogą mieć stałe wzmocnienie lub różne wartości wzmocnienia, które można wykorzystać do precyzyjnego dostrojenia parametrów działania. Wzmacniacze niskoszumowe (LNA) oparte na technologii monolitycznych mikrofalowych układów scalonych (MMIC) tradycyjnie wytwarzano z użyciem arsenku galu (GaAs). Niedawno opracowane wzmacniacze LNA MMIC w technologii krzemowo-germanowej (SiGe) mogą obsługiwać wymagane częstotliwości przy niższych kosztach. Wzmacniacze niskoszumowe (LNA) to wyjątkowo kompaktowe urządzenia, które można łatwo zintegrować w bardzo małych obudowach. Ponadto wzmacniacze LNA MMIC posiadają zintegrowane zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), a ich niski pobór mocy sprawia, że doskonale nadają się do urządzeń mobilnych i ubieralnych, w których ważną kwestią są rozmiary, waga i moc (SWaP).

Ilustracja 3: zastosowanie przełączników wieloantenowych i wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) może pomóc w poprawie jakości odbioru i zwiększeniu szybkości przesyłu danych. (Źródło ilustracji: Infineon)

Interfejsy sterowania

Przełączniki dostrajania anten, przełączniki krzyżowe i przełączniki wieloantenowe zwykle wymagają interfejsu kontrolerem systemu. W prostych zastosowaniach często używany jest interfejs wejścia-wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO). GPIO to uniwersalny, programowy wtyk sygnału sterującego w układzie scalonym, który można zaprogramować tak, aby działał jako wejście lub wyjście, lub jedno i drugie, w zależności od potrzeb.

W przypadku bardziej skomplikowanych potrzeb w zakresie sterowania zwykle stosuje się standard interfejsu mobilnego procesora przemysłowego (MIPI). Interfejs sterujący MIPI z układem front-end RF (RFFE) został zoptymalizowany do użytku w wysokowydajnych łańcuchach sygnałowych częstotliwości radiowych, aby zapewnić szybkie, półautomatyczne i rozbudowane funkcje sterowania. Interfejs sterujący MIPI RFFE może obejmować maksymalnie 19 urządzeń na magistralę (do czterech urządzeń wiodących i 15 urządzeń podrzędnych). Jest przeznaczony do stosowania ze wzmacniaczami niskoszumowymi (LNA), tunerami antenowymi, przełącznikami, wzmacniaczami mocy i filtrami. Interfejs mobilnego procesora przemysłowego z układem front-end na częstotliwości radiowe (MIPI RFFE) może ułatwić projektowanie, konfigurację i integrację łańcuchów sygnałowych częstotliwości radiowych, a ponadto umożliwia stosowanie komponentów od różnych dostawców.

Wzmacniacze niskoszumowe (LNA) sterowane przez interfejs mobilnego procesora przemysłowego (MIPI)

Projektanci mogą stosować wzmacniacze LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 firmy Infineon w wysokoparametrowych łańcuchach sygnałowych RF. Interfejs MIPI może sterować ośmioma trybami wzmocnienia i 11 trybami polaryzacji w celu zwiększenia zakresu dynamiki systemu poprzez aktywne dostosowywanie się do zmieniających się warunków w środowisku RF (ilustracja 4). Został zaprojektowany do użytku w pasmach 3GPP między 1,4 a 2,7GHz (głównie dla pasm B1, B3, n41 i B21). Może zapewnić współczynnik szumów 0,6dB i wzmocnienie do 20,2dB przy prądzie 5,8mA. Działa przy napięciach zasilania od 1,1 do 2,0V i posiada kwalifikację do zastosowań przemysłowych w oparciu o normę JEDEC47/20/22.

Ilustracja 4: interfejs MIPI w omawianym wzmacniaczu LNA może sterować ośmioma trybami wzmocnienia i 11 trybami polaryzacji w celu optymalizacji wydajności. (Źródło ilustracji: Infineon)

Szereg jego cech pomaga spełnić wysokie wymagania w zakresie rozmiarów, wagi i mocy, w tym:

• Rozmiary: dziewięciowtykowy wzmacniacz TSNP-9 ma wymiary 1,1 × 1,1mm, a dzięki wysokości 0,375mm jest odpowiedni do zastosowań w ograniczonych przestrzeniach.
• Waga: obudowa TSNP-9 została zoptymalizowana pod kątem użycia w projektach, w których wymagana jest niewielka waga.
• Moc: wzmacniacz niskoszumowy (LNA) BGA9H1MN9E6329XTSA1 charakteryzuje się prądem obejściowym zaledwie 2µA, co wydłuża czas pracy baterii.

Przełącznik wieloantenowy

Wieloantenowy szerokopasmowy jednobiegunowy przełącznik ze stykiem przełączanym (SPDT) BGS12WN6E6327XTSA1 firmy Infineon ma typową szybkość przełączania 160ns oraz zintegrowaną logikę sterowania (dekoder) i zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) (ilustracja 5). Został zaprojektowany do użytku w sieciach Wi-Fi, Bluetooth i ultraszerokopasmowych łańcuchach sygnałowych RF. Każdy z dwóch portów może łączyć się z wieloma antenami i obsługiwać uzysk do 26dB w odniesieniu do 1mW (dBm). Jest wykonany w technologii MOS (metal-tlenek-półprzewodnik) i zapewnia parametry działania urządzenia na bazie arsenku galu (GaAs), jednak eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych kondensatorów blokujących prąd stały na portach RF, chyba że spodziewane jest pojawienie się zewnętrznego napięcia prądu stałego.

Układ zawiera logikę CMOS (komplementarny półprzewodnik z tlenkiem metalu), sterowaną pojedynczym sygnałem kompatybilnym z technologią CMOS lub logiką tranzystorowo-tranzystorową (TTL). Charakteryzuje się wysoką izolacją między portami i niskimi stratami wtrąceniowymi do 9GHz. Aby zmniejszyć rozmiary i wagę, urządzenie jest dostarczane w obudowie PG-TSNP-6-10 o wymiarach 0,7 × 1,1mm i maksymalnej wysokości 0,375mm. Może pracować przy napięciu zasilania do 4,2V przy typowym prądzie zasilania 36µA i prądzie sterującym 2nA, maksymalizując czas pracy w urządzeniach z zasilaniem bateryjnym.

Ilustracja 5: wieloantenowy przełącznik jednobiegunowy ze stykiem przełączanym (SPDT) BGS12WN6E6327XTSA1 może przełączać w czasie 160ns i zawiera zintegrowaną logikę sterowania oraz zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). (Źródło ilustracji: Infineon)

Przełącznik krzyżowy częstotliwości radiowych

Przełącznik krzyżowy częstotliwości radiowych z logiką CMOS BGSX22G6U10E6327XTSA1 firmy Infineon został zaprojektowany specjalnie do zastosowań GSM, WCDMA, LTE i 5G. Ten dwubiegunowy przełącznik ze stykami przełączanymi (DPDT) charakteryzuje się niską tłumiennością wtrąceniową przy częstotliwościach do 7,125GHz, generowaniem niskich harmonicznych i wysoką izolacją między portami RF. Jego czas przełączania wynosi 1,3µs i umożliwia obsługę zastosowań sondującego sygnału referencyjnego (SRS) 5G. Posiada interfejs sterowania GPIO i pracuje przy napięciach zasilania od 1,6 do 3,6V. Obudowa PG-ULGA-10 ma wymiary 1,1 × 1,5mm, grubość 0,60mm oraz została zoptymalizowana pod kątem użycia w ograniczonych przestrzeniach i wymagających ograniczonej wagi. Omawiane urządzenie małej mocy charakteryzuje się typowym prądem zasilania 25µA i prądem sterującym 2nA.

Przełącznik dostrajania anteny

W projektach, które wymagają jednobiegunowego czteropozycyjnego przełącznika dostrajania anteny (SP4T) zoptymalizowanego pod kątem zastosowań do 7,125GHz, można wykorzystać przełącznik BGSA14M2N10E6327XTSA1. Cztery porty o rezystancji w stanie włączenia o wartości 0,85Ω są przeznaczone do zastosowań wymagających dostrajania o wysokiej jakości. Cyfrowy interfejs mobilnego procesora przemysłowego z układem front-end na częstotliwości radiowe (MIPI RFFE) upraszcza wykorzystywanie tego przełącznika w łańcuchach sygnałowych o częstotliwościach radiowych. Jego napięcie szczytowe wynoszące 45V i niska pojemność 160fF w stanie wyłączonym sprawiają, że nadaje się do przełączania cewek indukcyjnych i kondensatorów w obwodach dopasowania anten RF bez znaczących strat (ilustracja 6). Obudowa TSNP-10-9 o wymiarach 1,3 × 0,95mm i wysokości 0,375mm w połączeniu z poborem prądu 22µA sprawia, że urządzenie to jest w stanie obsługiwać zastosowania, które muszą spełniać wymagania w zakresie rozmiarów, wagi i mocy.

Ilustracja 6: przełącznik dostrajania anteny BGSA14M2N10E6327XTSA1 może sprawnie przełączać cewki indukcyjne i kondensatory w obwodach dopasowania anten RF. (Źródło ilustracji: Infineon)

Tranzystory na częstotliwości radiowe

Wysokowydajny łańcuch sygnałowy o częstotliwości radiowej zaczyna się od sekcji nadajniko-odbiornika i wzmacniacza RF. Wymaga to tranzystorów mocy RF, takich jak szerokopasmowy heterozłączowy tranzystor bipolarny (HBT) NPN na częstotliwości radiowe BFP760H6327XTSA1 firmy Infineon o następujących parametrach:

• Niski minimalny współczynnik szumów (NF_min) wynoszący 0,95dB przy 5,5GHz, 3V, 10mA
• Wysokie maksymalne wzmocnienie mocy (G_ms) wynoszące 16,5dB przy 5,5GHz, 3V, 30mA
• Wysoka liniowość z wyjściowym punktem przechwycenia trzeciego rzędu (OIP₃) na poziomie 27dBm przy 5,5GHz, 3V, 30mA

Ten tranzystor mocy posiada kwalifikację do zastosowań przemysłowych. Jest przeznaczony do użytku w bezprzewodowych i satelitarnych systemach komunikacji, urządzeniach nawigacyjnych GPS, mobilnych urządzeniach multimedialnych i innych zastosowaniach RF o wysokich parametrach działania.

Opcje obudowy TSNP

Niewielkie rozmiary obudowy TSNP wymagają stabilnych tolerancji geometrycznych na płytce drukowanej oraz zastosowania projektów z polami lutowniczymi bez zdefiniowanej maski lutowniczej (NSMD). Tolerancje pól lutowniczych w projektach bez zdefiniowanej maski lutowniczej (NSMD) są niższe niż dla maski lutowniczej. W przypadku technologii NSMD ścieżki na płytce drukowanej powinny mieć 100µm lub mniej. Zazwyczaj pola lutownicze płytek drukowanych przygotowanych dla obudów TSNP wyposażonych tylko w połączenia dolne, wykorzystywanych przez opisany powyżej wzmacniacz LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1, przełącznik wieloantenowy BGS12WN6E6327XTSA1 i przełącznik dostrajania anteny BGSA14M2N10E6327XTSA1 są projektowane przez przeniesienie obrysu pól lutowniczych obudowy i dodanie 25µm z każdej strony pól lutowniczych.

Projektanci muszą mieć świadomość, że istnieje więcej niż jeden rodzaj pola lutowniczego TSNP. Można spotkać standardowe pola lutownicze, a także pola lutownicze do optycznej inspekcji końcówek odprowadzeń (LTI) (ilustracja 7). Urządzenia LTI wymagają większej powierzchni montażowej, ponieważ pole lutownicze płytki drukowanej musi wystawać poza obrys obudowy co najmniej 400μm (ilustracja 7). Projekty LTI umożliwiają inspekcję optyczną, jednak mogą nie być odpowiednie w przypadku projektów, w których rozmiary, waga i moc (SWaP) mają znaczenie krytyczne i które wymagają możliwie najmniejszych rozwiązań.

Ilustracja 7: dostępne są obudowy TSNP wykorzystujące standardowe pola lutownicze (po lewej) lub powiększone pola lutownicze, zoptymalizowane pod kątem optycznej inspekcji końcówek odprowadzeń (LTI) (po prawej). (Źródło ilustracji: Infineon)

Podsumowanie

Podczas określania specyfikacji tunerów antenowych, przełączników krzyżowych RF, przełączników wieloantenowych, wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) i tranzystorów niskoszumowych RF do przenośnych i ubieralnych urządzeń bezprzewodowych ważne jest uwzględnienie rozmiarów, wagi i mocy (SWaP). Firma Infineon oferuje projektantom szereg urządzeń do wysokowydajnych łańcuchów sygnałowych na częstotliwości radiowe, które mogą również spełniać wyśrubowane wymagania w zakresie rozmiarów, wagi i mocy (SWaP). Korzystając z tych urządzeń, projektanci mogą zoptymalizować niezawodność i szerokość pasma łańcucha sygnałowego RF oraz wydłużyć czas pracy baterii.

Rekomendowane artykuły

1. Korzystanie z cyfrowych czujników temperatury o wysokiej dokładności w urządzeniach ubieralnych monitorujących stan zdrowia
2. Przegląd technologii bezprzewodowych dla Internetu rzeczy (IoT)