Hoe SWaP te optimaliseren in RF-signaalketens met hoge prestaties

De vraag naar krachtige draadloze connectiviteit blijft toenemen voor een steeds breder scala aan toepassingen, van smartphones tot laptops, tablets, wearables, drones, toegangspunten en smart home en Internet of Things-apparaten (IoT). Voor ontwerpers van deze apparaten is de ervaring van de eindgebruiker een cruciale onderscheidende factor, die grotendeels wordt bepaald door de kwaliteit, doorvoer en betrouwbaarheid van het draadloze signaal en de levensduur van de batterij. Grootte en gewicht van het apparaat zijn ook belangrijke onderscheidende factoren, met name bij wearables. Voor ontwerpers vereist optimalisatie voor deze parameters een nauwkeurige blik op alle aspecten van de radiofrequentiesignaalketen (RF), wat een ontmoedigende uitdaging kan zijn voor zowel deskundigen als RF-nieuwelingen.

Dit artikel bespreekt verschillende onderdelen van de RF-signaalketen en beschrijft hoe antennetuners, RF kruisschakelaars, antennediversiteitsschakelaars, versterkers met weinig ruis (LNA's) en RF transistors met weinig ruis bijdragen tot oplossingen met hoge prestaties, en behandelt de opties voor de besturingsinterface. Vervolgens worden voorbeeldcomponenten van Infineon gepresenteerd en wordt getoond hoe deze krachtige RF-ontwerpen ondersteunen en tegelijkertijd voldoen aan de steeds strengere eisen ten aanzien van omvang, gewicht en vermogen (SWaP). Het sluit af met een vergelijking van twee kleine, niet-gelode verpakkingen (TSNP) voor compacte RF-oplossingen.

Antenne benodigdheden

Antenneprestaties zijn cruciaal voor de huidige verbonden apparaten. Door afstemming kan een enkele antenne goede prestaties leveren in verschillende frequentiebanden en bijdragen tot een compactere en efficiëntere oplossing. Ontwerpers kunnen schakelaars gebruiken in de tunersectie van de RF-signaalketen om de vermogensoverdracht naar de antenne te maximaliseren en de prestaties te optimaliseren zoals vereist door de specifieke toepassingseisen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In de tunersectie worden antenneschakelaars gebruikt om de prestaties van de antenne te optimaliseren. (Bron afbeelding: Infineon)

RF-kruisschakelaars

Bij veel toepassingen is afstemming van de antenne een noodzakelijke maar niet voldoende voorwaarde voor optimale prestaties. In die gevallen kan meer dan één antenne nodig zijn. Een RF-kruisschakelaar kan aan de signaalketen worden toegevoegd om de antenne te kunnen kiezen die in een bepaalde situatie de beste prestaties levert door het zendvermogen of de ontvangstgevoeligheid te verhogen (Afbeelding 2). RF-kruisschakelaars moeten efficiënt en snel schakelen om nuttige antenneswaps te ondersteunen, en zij moeten een hoge isolatie hebben, een laag insertieverlies, en lage harmonischen genereren om een efficiënte en betrouwbare werking van het systeem te ondersteunen.

Afbeelding 2: Het gebruik van een RF-kruisschakelaar maakt het mogelijk de best presterende antenne te selecteren voor uplinks of downlinks. (Bron afbeelding: Infineon)

Diversiteitsschakelaars en LNA's

Soms is het overschakelen op de beste antenne nog steeds onvoldoende om de vereiste bandbreedte te ondersteunen. Wanneer dat gebeurt, wordt een extra kanaal, het zogenaamde diversiteitspad, toegevoegd aan de RF-signaalketen. Antennediversiteit verbetert de kwaliteit en betrouwbaarheid van transmissie en ontvangst. Diversiteitsschakelaars worden gebruikt in een reeks toepassingen, van Wi-Fi-netwerkapparatuur tot smartphones en tabletcomputers. Deze schakelaars kunnen worden gebruikt om multipad-interferentie bij signaalontvangst te compenseren. De ontvanger controleert de inkomende signalen en schakelt tussen de antennes op basis van de relatieve signaalsterkte. Net als bij RF-kruisschakelaars moeten diversiteitsschakelaars een hoge isolatie hebben, lage invoegverliezen hebben en weinig harmonischen genereren.

LNA's zijn een ander belangrijk onderdeel van de RF-signaalketen (Afbeelding 3). Net als de verschillende benaderingen van antennebeheer kan het gebruik van LNA's de ontvangstkwaliteit verbeteren en de datasnelheid verhogen. LNA's zijn verkrijgbaar met een vaste versterking of met meerdere versterkingsstappen die kunnen worden gebruikt om de prestaties te verfijnen. LNA's op basis van monolithische geïntegreerde microgolfschakelingen (MMIC) zijn traditioneel geproduceerd op basis van galliumarsenidetechnologie (GaAs). Meer recent ontwikkelde silicium germanium (SiGe) LNA MMIC's kunnen de benodigde frequenties ondersteunen tegen een lagere prijs. LNA's zijn zeer compacte apparaten die gemakkelijk in zeer kleine verpakkingen kunnen worden geïntegreerd. Bovendien zijn LNA MMIC's beschikbaar met geïntegreerde bescherming tegen elektrostatische ontlading (ESD), en hun lage stroomverbruik maakt ze zeer geschikt voor mobiele apparaten en wearables waar SWaP een belangrijke overweging is.

Afbeelding 3: Het gebruik van diversiteitsschakelaars en LNA's kan de ontvangstkwaliteit verbeteren en de datasnelheid verhogen. (Bron afbeelding: Infineon)

Controle-interfaces

Antenneschakelaars, kruisschakelaars en diversiteitsschakelaars vereisen in het algemeen een interface met de systeembesturing. In eenvoudige implementaties wordt vaak een GPIO-interface (General Purpose Input/Output) gebruikt. Een GPIO is een niet-gecommitteerde, door software bestuurbare signaalpen op een IC die naar behoefte kan worden geprogrammeerd als ingang of uitgang, of beide.

Voor complexere besturingsbehoeften wordt doorgaans de MIPI-norm (Mobile Industry Processor Interface) gebruikt. De MIPI RF front-end (RFFE) besturingsinterface is geoptimaliseerd voor gebruik in krachtige RF-signaalketens om snelle, halfautomatische en uitgebreide besturingsfuncties te bieden. De MIPI RFFE kan tot 19 apparaten per bus omvatten (maximaal vier leiders en 15 volgers). Hij is ontworpen voor gebruik met LNA's, antennetuners, schakelaars, vermogensversterkers en filters. MIPI RFFE kan het ontwerp, de configuratie en de integratie van RF-signaalketens vergemakkelijken, en ondersteunt het gebruik van componenten van verschillende leveranciers.

MIPI bestuurbare LNA

Ontwerpers kunnen de BGA9H1MN9E6329XTSA1 van Infineon gebruiken voor krachtige RF-signaalketens. De MIPI-interface kan de acht gain modes en de 11 bias modes regelen om het dynamische bereik van het systeem te vergroten door actief in te spelen op veranderende omstandigheden in de RF-omgeving (Afbeelding 4). Het is ontworpen voor gebruik in de 3GPP-banden tussen 1,4 en 2,7 gigahertz (GHz) (voornamelijk voor de banden B1, B3, n41 en B21). Het kan een ruisgetal van 0,6 decibel (dB) en tot 20,2 dB versterking bieden bij een stroomsterkte van 5,8 milliampère (mA). Hij werkt met voedingsspanningen van 1,1 tot 2,0 volt en is gekwalificeerd voor industriële toepassingen op basis van JEDEC47/20/22.

Afbeelding 4: De MIPI-interface op deze LNA kan acht versterkingsmodi en 11 bias-modi voor prestatie-optimalisatie regelen. (Bron afbeelding: Infineon)

Het heeft verschillende kenmerken die helpen te voldoen aan uitdagende SWaP-eisen, waaronder:

• Afmetingen: De TSNP-9 met negen pennen meet 1,1 × 1,1 millimeter (mm), en de hoogte van 0,375 mm maakt hem zeer geschikt voor toepassingen met weinig ruimte.
• Gewicht: Het TSNP-9-pakket is geoptimaliseerd voor gebruik waar een laag gewicht een vereiste is.
• Vermogen: De BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA heeft een bypassstroom van slechts 2 microamperes (µA), waardoor de batterij langer meegaat.

Antennediversiteitsschakelaar

De BGS12WN6E6327XTSA1 breedband single pole double throw (SPDT) diversiteitsschakelaar van Infineon heeft een typische schakelsnelheid van 160 nanoseconden (ns), plus geïntegreerde besturingslogica (decoder) en ESD-bescherming (Afbeelding 5). Ontworpen voor gebruik in Wi-Fi, Bluetooth en ultrabreedband RF-signaalketens, kan elk van de twee poorten worden aangesloten op een diversiteitsantenne en tot 26 dB verwerken, gerefereerd aan 1 milliwatt (dBm). Hij is vervaardigd met MOS-technologie en levert de prestaties van een GaAs apparaat, maar elimineert de noodzaak van externe DC-blokkeringscondensators op de RF-poorten, tenzij een externe DC-spanning wordt verwacht.

De chip bevat CMOS-logica die wordt aangestuurd door een enkel CMOS- of TTL-compatibel stuursignaal. Hij heeft een hoge poort-tot-poort-isolatie en lage insertieverliezen tot 9 GHz. Om de afmetingen en het gewicht te beperken, wordt het apparaat geleverd in een PG-TSNP-6-10 pakket van 0,7 × 1,1 mm met een maximale hoogte van 0,375 mm. Hij kan werken met voedingsspanningen tot 4,2 volt met een typische voedingsstroom van 36 µA en een stuurstroom van 2 nanoamperes (nA), waardoor de looptijd in door batterijen gevoede apparaten wordt gemaximaliseerd.

Afbeelding 5: De BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT-diversiteitsschakelaar kan in 160 ns schakelen en bevat geïntegreerde besturingslogica en ESD-bescherming. (Bron afbeelding: Infineon)

RF kruisschakelaar

De BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS-kruisschakelaar van Infineon is speciaal ontworpen voor GSM, WCDMA, LTE en 5G toepassingen. Deze DPDT-schakelaar (double-pole double-throw) heeft een laag insertieverlies bij frequenties tot 7,125 GHz, een lage harmonische generatie en een hoge isolatie tussen de RF-poorten. Zijn schakeltijd van 1,3 microseconden (µs) maakt ondersteuning van 5G-sounding reference signal-toepassingen (SRS) mogelijk. Hij heeft een GPIO-besturingsinterface en werkt met voedingsspanningen van 1,6 tot 3,6 volt. Het PG-ULGA-10-pakket meet 1,1 × 1,5 mm, is 0,60 mm dik en is geoptimaliseerd voor toepassingen met weinig ruimte en gewicht. Dit energiezuinige apparaat heeft een typische voedingsstroom van 25 µA en een stuurstroom van 2 nA.

Antenneschakelaar

Ontwerpen die een SP4T-antenneschakelaar (single-pole four-throw) nodig hebben, geoptimaliseerd voor toepassingen tot 7,125 GHz, kunnen de BGSA14M2N10E6327XTSA1 van Infineon gebruiken. De vier 0,85 ohm (Ω) aan-weerstand poorten zijn ontworpen voor gebruik in hoge Q tuningtoepassingen. De MIPI RFEE digitale besturingsinterface vereenvoudigt de implementatie in RF-signaalketens. Zijn piekspanningsvermogen van 45 volt en lage capaciteit van 160 femtofarads (fF) in de OFF-toestand maken hem zeer geschikt voor het schakelen van inductoren en condensatoren in RF-antenneaanpassingscircuits zonder aanzienlijke verliezen (Afbeelding 6). Het 1,3 × 0,95 mm, 0,375 mm hoge TSNP-10-9-pakket in combinatie met een stroomverbruik van 22 µA maken dit apparaat geschikt voor uitdagende SWaP-toepassingen.

Afbeelding 6: De BGSA14M2N10E6327XTSA1 kan efficiënt inductors en condensators schakelen in RF antenne matching circuits. (Bron afbeelding: Infineon)

RF-transistors

Een hoogwaardige RF-signaalketen begint met de transceiver en de RF-versterker. Dit vereist RF-vermogenstransistoren zoals de BFP760H6327XTSA1 breedband NPN RF heterojunctie bipolaire transistor (HBT) van Infineon die beschikt over:

• Laag minimaal ruisgetal (NF_min) van 0,95 dB bij 5,5 GHz, 3 volt, 10 mA
• Hoge maximale vermogensversterking (G_ms) van 16,5 dB bij 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA
• Hoge lineariteit met 3e orde interceptiepunt aan de uitgang (OIP₃) van 27 dBm bij 5,5 GHz, 3 volt, 30 mA

Deze vermogenstransistor is gekwalificeerd voor industriële toepassingen. Hij is ontworpen voor gebruik in draadloze en satellietcommunicatiesystemen, GPS-navigatieapparaten, mobiele multimedia-apparaten en andere hoogwaardige RF-toepassingen.

TSNP-pakketopties

De kleine afmetingen van TSNP-pakketten vereisen stabiele geometrische toleranties op de printplaat, en er moet een niet-soldeermasker gedefinieerd (NSMD) padontwerp worden gebruikt. De toleranties voor NSMD zijn lager dan voor soldeerweerstand. Voor NSMD moeten de sporen op de printplaat 100 micrometer (µm) of minder bedragen. Typisch worden de printplaten voor TSNP onderaan, zoals gebruikt door de BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA, de BGS12WN6E6327XTSA1 antennediversiteitsschakelaar en de hierboven beschreven BGSA14M2N10E6327XTSA1 antenneafstemschakelaar, ontworpen door de contouren van het pakket over te nemen en 25 µm rond de zijkanten van de pads toe te voegen.

Ontwerpers moeten zich ervan bewust zijn dat er meer dan één stijl van TSNP-pad is. Er is de standaard pad, en er zijn pads ontworpen voor optische lead tip inspectie (LTI) (Afbeelding 7). Voor LTI-apparaten is een groter montagegebied nodig, aangezien de printplaat minimaal 400 μm buiten de omtrek van de verpakking moet uitsteken (Afbeelding 7). Hoewel het LTI-ontwerp optische inspectie ondersteunt, is het wellicht niet geschikt voor SWaP-kritische ontwerpen die de kleinst mogelijke oplossing vereisen.

Afbeelding 7: Er zijn TSNP-pakketten verkrijgbaar met standaard pads (links) of grotere pads die geoptimaliseerd zijn voor optische LTI (rechts). (Bron afbeelding: Infineon)

Conclusie

SWaP-overwegingen zijn belangrijk bij het specificeren van antennetuners, RF-kruisschakelaars, antennediversiteitsschakelaars, LNA's en RF-transistors met lage ruis in een reeks draagbare en draagbare draadloze apparaten. Zoals blijkt, biedt Infineon ontwerpers een reeks apparaten voor gebruik in hoogwaardige RF-signaalketenapplicaties die ook kunnen voldoen aan veeleisende SWaP-eisen. Met behulp van deze apparaten kunnen ontwerpers de betrouwbaarheid en bandbreedte van de RF-signaalketen optimaliseren en de levensduur van de batterij verlengen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe hoognauwkeurige digitale temperatuursensors te gebruiken in gezondheidsmonitoring voor wearables
2. Overzicht van draadloze technologie voor IoT