Slik optimaliserer du SWaP i RF-signalkjeder med høy ytelse

Etterspørselen etter trådløs konnektivitet med høy ytelse fortsetter å øke på tvers av et stadig større utvalg av bruksområder, fra smarttelefoner til bærbare datamaskiner, nettbrett, kroppsbårne enheter, droner, tilgangspunkter og smarthjem- og tingenes Internett-aktiverte apparater. For konstruktører av disse enhetene, er sluttbrukeropplevelsen en viktig differensierende faktor, som i stor grad bestemmes av kvaliteten, gjennomstrømningen og påliteligheten til det trådløse signalet, samt batterilevetiden. Enhetsstørrelse og -vekt er også viktige differensierende faktorer, spesielt når det gjelder kroppsbårne enheter. For konstruktører vil optimalisering for disse parametrene kreve en nøye titt på alle aspekter av radiofrekvens (RF)-signalkjeden, noe som kan være en skremmende utfordring for både eksperter og nybegynnere innen RF.

Denne artikkelen gjennomgår ulike deler av RF-signalkjeden og beskriver hvordan antennetunere, RF-kryssvekslere, antennediversitetsvekslere (antenna diversity switches), støysvake forsterkere (LNA – low-noise amplifier) og støysvake RF-transistorer bidrar til kraftige løsninger, og ser også på alternativer for styringsgrensesnitt. Den presenterer deretter typiske komponenter fra Infineon og viser hvordan disse støtter RF-konstruksjoner med høy ytelse, samtidig som de oppfyller stadig mer krevende krav til størrelse, vekt og effekt (SWaP). Den lukkes ved å sammenligne to små, ikke-blyholdige kapslingsalternativer (TSNP – two small, non-leaded package) for kompakte RF-løsninger.

Grunnleggende om antenner

Antenneytelse er viktig i dagens tilkoblede enheter. Innstilling (tuning) kan gjøre det mulig for en enkel antenne å gi god ytelse i flere frekvensbånd og bidra til en mer kompakt og effektiv løsning. Konstruktører kan bruke vekslere i antennetunerdelen av RF-signalkjeden for å maksimere energioverføringen til antennen og optimalisere ytelsen som kreves av de spesifikke konstruksjonskravene (figur 1).

Figur 1: Antenneinnstillingsvekslere brukes i tunerdelen for å optimalisere antennens ytelse. (Bildekilde: Infineon)

RF-kryssvekslere

I mange konstruksjoner er antenneinnstilling nødvendig, men det er ikke en tilstrekkelig betingelse alene for å sikre optimal ytelse. I slike tilfeller kan det være nødvendig med mer enn én antenne. En RF-kryssveksler kan legges til i signalkjeden for å muliggjøre valg av antennen som gir best ytelse i en gitt situasjon, ved å øke sendeeffekt eller mottakerfølsomhet (figur 2). RF-kryssvekslere må gi effektiv og rask veksling for å støtte nyttige antennebyttinger (antenna swaps), og de må ha høy isolasjon, lavt innsettingstap og generere lave oversvingninger for å støtte effektiv og pålitelig systemdrift.

Figur 2: Bruken av en RF-kryssveksler gjør det mulig å velge antennen med best ytelse for opp- eller nedlinker. (Bildekilde: Infineon)

Diversitetsvekslere og LNA-er

Noen ganger er det ikke tilstrekkelig å bytte til den beste antennen for å støtte den nødvendige båndbredden. Når dette er tilfellet, legges en ekstra kanal kalt diversitetsbane (diversity path) til i RF-signalkjeden. Antennediversitet forbedrer kvaliteten og påliteligheten til overføring og mottak. Diversitetsvekslere brukes i en rekke konstruksjoner, fra Wi-Fi-nettverksutstyr til smarttelefoner og nettbrett. Disse vekslerne kan brukes til å kompensere for flerveis interferens i signalmottak. Mottakeren overvåker de innkommende signalene og veksler mellom antennene basert på de relative signalstyrkene. Når det gjelder RF-kryssvekslere, må diversitetsvekslere ha høy isolasjon, lave innsettingstap og generere lave oversvingninger.

LNA-er er en annen viktig del i RF-signalkjeden (figur 3). I likhet med de diverse tilnærmingene til antennestyring, kan bruken av LNA-er forbedre mottakskvaliteten og øke datahastigheten. LNA-er er tilgjengelige med en fast forsterkning eller med flere forsterkningstrinn som kan brukes til å finjustere ytelsen. LNA-er basert på monolittisk mikrobølge-IC-teknologi (MMIC – monolithic microwave integrated circuit) har tradisjonelt sett blitt produsert ved hjelp av galliumarsenid (GaAs)-teknologi. Nyutviklede silisium-germanium (SiGe) LNA MMIC-er kan støtte de nødvendige frekvensene til en lavere pris. LNA-er er svært kompakte enheter som enkelt kan integreres i svært små kapslinger. I tillegg er LNA MMIC-er tilgjengelige med integrert beskyttelse mot elektrostatisk utladning (ESD), og det lave strømforbruket gjør dem godt egnet for mobilenheter og kroppsbårne enheter der SWaP er en viktig faktor.

Figur 3: Bruken av diversitetsvekslere og LNA-er kan bidra til å forbedre mottakskvaliteten og øke datahastigheten. (Bildekilde: Infineon)

Styringsgrensesnitt

Antenneinnstillingsvekslere, kryssvekslere og diversitetsvekslere krever vanligvis et grensesnitt med systemstyringen. For enkle implementasjoner brukes ofte et GPIO-grensesnitt (GPIO – general-purpose input/output). En GPIO er en ikke-fastlagt signalpinne på en IC som kan styres av programvare, og som kan programmeres til å fungere som inngang eller utgang, eller begge deler, etter behov.

For mer komplekse styringsbehov brukes som regel MIPI-standarden (MIPI – Mobile Industry Processor Interface). Styringsgrensesnittet for MIPI RF-inngangen (RFFE – RF front-end) er optimalisert for bruk i RF-signalkjeder med høy ytelse for å gi raske, halvautomatiske og omfattende styringsfunksjoner. MIPI RFFE kan omfatte opptil 19 enheter per buss (opptil fire hovedenheter og 15 slaveenheter). Den er konstruert for bruk med LNA-er, antennetunere, vekslere, effektforsterkere og filtre. MIPI RFFE kan legge til rette for konstruksjon, konfigurasjon og integrasjon av RF-signalkjeder, og støtter bruk av komponenter fra forskjellige leverandører.

MIPI-styrbar LNA

Konstruktører kan bruke BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA-en fra Infineon for RF-signalkjeder med høy ytelse. MIPI-grensesnittet kan styre de åtte forsterkningsmodusene og de 11 forspenningsmodusene for å øke systemets dynamiske område ved å aktivt tilpasse skiftende forhold i RF-miljøet (figur 4). Den er konstruert for bruk i 3GPP-båndene mellom 1,4 og 2,7 gigahertz (GHz) (hovedsakelig for båndene B1, B3, n41 og B21). Den kan gi en støyverdi på 0,6 desibel (dB) og opptil 20,2 dB forsterkning med 5,8 milliampere (mA) strøm. Den opererer med forsyningsspenninger fra 1,1 til 2,0 volt og er kvalifisert for industrielle konstruksjoner basert på JEDEC47/20/22.

Figur 4: MIPI-grensesnittet på denne LNA-en kan styre åtte forsterkningsmoduser for drift og 11 forspenningsmoduser for ytelsesoptimalisering. (Bildekilde: Infineon)

Den har flere funksjoner som bidrar til å oppfylle utfordrende SWaP-krav, deriblant:

• Størrelse: TSNP-9 med 9 pinner måler 1,1 × 1,1 millimeter (mm) og har en høyde på 0,375 mm, noe som gjør den godt egnet for plassbegrensede konstruksjoner.
• Vekt: TSNP-9-kapslingen er optimalisert for bruk der lett vekt er et krav.
• Strøm: BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA-en har en forbikoblingsstrøm på bare 2 mikroampere (µA), noe som forlenger batteriets driftstid.

Antennediversitetsveksler

Den enpolede, todelte (SPDT – single pole double throw) BGS12WN6E6327XTSA1-diversitetsveksleren fra Infineon har en typisk vekslingshastighet på 160 nanosekunder (ns), pluss integrert styringslogikk (dekoder) og ESD-beskyttelse (figur 5). Den er utviklet for bruk i Wi-Fi, Bluetooth og ultra-bredbånds RF-signalkjeder, og hver av de to portene kobles til en diversitetsantenne og håndterer opptil 26 dB, referert til som 1 milliwatt (dBm). Den er produsert med MOS-teknologi og leverer ytelsen til en GaAS-enhet, men eliminerer behovet for eksterne likestrømsblokkerende kondensatorer på RF-portene, med mindre det forventes at en ekstern likestrømsspenning påføres.

Brikken inkluderer CMOS-logikk drevet av ett enkelt CMOS- eller TTL-kompatibelt styringssignal. Den har høy port-til-port-isolasjon og lave innsettingstap på opptil 9 GHz. For å redusere størrelse og vekt, kommer enheten i en PG-TSNP-6-10-kapsling som måler 0,7 × 1,1 mm, med en maksimal høyde på 0,375 mm. Den kan operere med forsyningsspenninger på opptil 4,2 volt, med en typisk forsyningsstrøm på 36 µA og en styringsstrøm på 2 nanoampere (nA), noe som maksimerer driftstiden i batteridrevne enheter.

Figur 5: BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT-diversitetsveksleren kan veksle på 160 ns, og den inkluderer integrert styringslogikk og ESD-beskyttelse. (Bildekilde: Infineon)

RF-kryssveksler

Infineons BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS-kryssveksler er spesialutviklet for GSM-, WCDMA-, LTE- og 5G-konstruksjoner. Denne topolede toveisveksleren (DPDT – double-pole double-throw) har lavt innsettingstap ved frekvenser på opptil 7,125 GHz, lav harmonisk generering og høy isolasjon mellom RF-porter. Vekslingstiden på 1,3 mikrosekunder (µs) muliggjør støtte for 5G SRS-konstruksjoner (SRS – sounding reference signal). Den har et GPIO-styringsgrensesnitt og opererer med forsyningsspenninger fra 1,6 til 3,6 volt. PG-ULGA-10-kapslinger har en monteringsflate på 1,1 × 1,5 mm og en tykkelse på 0,60 mm, og de er optimalisert for plass- og vektbegrensede konstruksjoner. Denne laveffekt-enheten har en typisk forsyningsstrøm på 25 µA og en styringsstrøm på 2 nA.

Antenneinnstillingsveksler

Konstruksjoner som krever en enpolet, fireveis (SP4T – single-pole four-throw) antenneinnstillingsveksler optimalisert for konstruksjoner på opptil 7,125 GHz, kan bruke Infineons BGSA14M2N10E6327XTSA1. De fire på-motstand-portene på 0,85 ohm (Ω) er konstruert for bruk i konstruksjoner med høy Q-innstilling. Det digitale styringsgrensesnittet MIPI RFEE forenkler implementeringen i RF-signalkjeder. Med en toppspenningskapasitet på 45 volt og lav kapasitans på 160 femtofarad (fF) i AV-tilstand, er den godt egnet til veksling av induktorer og kondensatorer i RF-antennesamsvaringskretser uten vesentlige tap (figur 6). TSNP-10-9-kapslingsstørrelsen på 1,3 × 0,95 x 0,375 mm, kombinert med et strømforbruk på 22 µA, gjør denne enheten i stand til å støtte utfordrende SWaP-konstruksjoner.

Figur 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 kan effektivt veksle induktorer og kondensatorer i RF-antennesamsvaringskretser. (Bildekilde: Infineon)

RF-transistorer

En RF-signalkjede med høy ytelse begynner med transceiveren og RF-forsterkerdelen. Dette krever RF-effekttransistorer som BFP760H6327XTSA1 bredbånds-NPN RF HBT-transistoren (HBT – heterojunction bipolar transistor) fra Infineon, som har:

• Lav minimum støyverdi (NF_min) på 0,95 dB ved 5,5 GHz, 3 volt, 10 mA
• Høy maksimal effektforsterkning (G_ms) på 16,5 dB ved 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA
• Høy linearitet med tredjeordens skjæringspunkt ved utgang (OIP₃) på 27 dBm ved 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA

Denne effekttransistoren er kvalifisert for industrielle konstruksjoner. Den er konstruert for bruk i trådløse systemer og satellittkommunikasjonssystemer, GPS-navigasjonsenheter, mobile multimedieenheter og andre RF-konstruksjoner med høy ytelse.

TSNP-kapslingsalternativer

Den lille størrelsen til TSNP-kapslinger krever stabile geometritoleranser på kretskortet, og det bør brukes en ikke-loddemaskedefinert (NSMD – non-solder mask defined) kontaktflatekonstruksjon. Kontaktflatetoleransene for NSMD er lavere enn kontaktflater med loddemaske. For NSMD bør sporene på kretskortet være 100 mikrometer (µm) eller mindre. Vanligvis konstrueres kretskortkontaktflater for TSNP med kun bunn, som brukes av BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA-en, BGS12WN6E6327XTSA1-antennediversitetsveksleren og BGSA14M2N10E6327XTSA1-antenneinnstillingsveksleren beskrevet ovenfor, ved å overføre kapslingens kontaktflateomriss og legge til 25 µm rundt sidene til kontaktflaten.

Konstruktører må være oppmerksomme på at det er mer enn én type TSNP-kontaktflate. Det finnes standard kontaktflater, og det finnes kontaktflater som er konstruert for optisk inspeksjon med ledningsspiss (LTI – lead tip inspection) (figur 7). LTI-enheter krever et større monteringsområde siden kretskortets kontaktflate må strekke seg utover kapslingens omriss med minst 400 μm (figur 7). Selv om LTI-konstruksjonen støtter optisk inspeksjon, er den kanskje ikke egnet for SWaP-kritiske konstruksjoner som krever minst mulig løsningsstørrelse.

Figur 7: TSNP-kapslinger som bruker enten standard kontaktflater (venstre) eller større kontaktflater optimalisert for optisk LTI (høyre), er tilgjengelige. (Bildekilde: Infineon)

Konklusjon

SWaP-faktorer er viktige når du spesifiserer antennetunere, RF-kryssvekslere, antennediversitetsvekslere, LNA-er og støysvake RF-transistorer i en rekke bærbare og kroppsbårne trådløse enheter. Som vist tilbyr Infineon konstruktører en rekke enheter for bruk i RF-signalkjedekonstruksjoner med høy ytelse som også kan tilfredsstille krevende SWaP-krav. Ved å bruke disse enhetene kan konstruktører optimalisere påliteligheten og båndbredden til RF-signalkjeden og forlenge batterilevetiden.

Anbefalt lesing

1. Slik bruker du digitale temperatursensorer med høy nøyaktighet i kroppsbårne enheter for helseovervåking
2. Oversikt over trådløs teknologi for IoT