Cum se optimizează SWaP în lanțurile de semnale RF de înaltă performanță

Cererea de conectivitate wireless de înaltă performanță continuă să crească într-o gamă din ce în ce mai largă de aplicații, de la smartphone-uri la laptopuri, tablete, dispozitive purtabile, drone, puncte de acces și aparate inteligente pentru casă și Internetul lucrurilor (IoT). Pentru proiectanții acestor dispozitive, un factor critic de diferențiere este experiența utilizatorului final, care este determinată în mare parte de calitatea, debitul și fiabilitatea semnalului wireless, precum și de durata de viață a bateriei. Dimensiunea și greutatea dispozitivelor sunt, de asemenea, factori de diferențiere importanți, în special în cazul dispozitivelor purtabile. Pentru proiectanți, optimizarea acestor parametri necesită o analiză atentă a tuturor aspectelor lanțului de semnal de radiofrecvență (RF), ceea ce poate fi o provocare descurajantă atât pentru experți, cât și pentru novicii în RF.

Acest articol trece în revistă diferite părți ale lanțului de semnal RF și descrie modul în care tunerele de antenă, comutatoarele transversale RF, comutatoarele de diversitate de antenă, amplificatoarele cu zgomot redus (LNA) și tranzistorii RF cu zgomot redus contribuie la soluții de înaltă performanță, precum și la analizarea opțiunilor de interfață de control. Apoi, prezintă componente exemplare de la Infineon și arată cum acestea susțin proiectele RF de înaltă performanță, respectând în același timp cerințele din ce în ce mai exigente privind dimensiunea, greutatea și puterea (SWaP). Încheie prin compararea a două opțiuni de capsule mici, fără plumb (TSNP) pentru soluții RF compacte.

Elementele esențiale ale antenei

Performanța antenei este esențială pentru dispozitivele conectate din ziua de azi. Acordarea poate permite unei singure antene să ofere performanțe bune în mai multe benzi de frecvență și să contribuie la o soluție mai compactă și mai eficientă. Proiectanții pot utiliza comutatoare în secțiunea tunerului de antenă din lanțul de semnal RF pentru a maximiza transferul de putere către antenă și pentru a optimiza performanța conform cerințelor specifice ale aplicației (Figura 1).

Figura 1: comutatoarele de reglare a antenei sunt utilizate în secțiunea tunerului pentru a optimiza performanța antenei. (Sursă imagine: Infineon)

Comutatoare transversale RF

În multe aplicații, reglarea antenei este o condiție necesară, dar nu suficientă pentru a asigura o performanță optimă. În aceste cazuri, poate fi nevoie de mai mult de o antenă. Un comutator transversal RF poate fi adăugat la lanțul de semnal pentru a permite selectarea antenei care oferă cele mai bune performanțe într-o anumită situație prin creșterea puterii de transmisie sau a sensibilității receptorului (Figura 2). Comutatoarele transversale RF trebuie să asigure o comutare eficientă și rapidă pentru a permite schimbarea utilă a antenelor și trebuie să aibă o izolare ridicată, pierderi de inserție reduse și să genereze armonici reduse pentru a asigura o funcționare eficientă și fiabilă a sistemului.

Figura 2: utilizarea unui comutator transversal RF permite selectarea celei mai performante antene pentru legăturile ascendente sau descendente. (Sursa imaginii: Infineon)

Comutatoare de diversitate și LNA-uri

Uneori, trecerea la cea mai bună antenă este totuși insuficientă pentru a susține lățimea de bandă necesară. Atunci când se întâmplă acest lucru, un canal suplimentar, numit cale de diversitate, este adăugat la lanțul de semnal RF. Diversitatea antenelor îmbunătățește calitatea și fiabilitatea transmisiei și recepției. Comutatoarele de diversitate sunt utilizate într-o gamă largă de aplicații, de la echipamente de rețea Wi-Fi la smartphone-uri și tablete. Aceste comutatoare pot fi utilizate pentru a compensa interferențele pe căi multiple în recepția semnalului. Receptorul monitorizează semnalele primite și comută între antene în funcție de intensitatea relativă a semnalelor. Ca și în cazul comutatoarelor transversale RF, comutatoarele de diversitate trebuie să aibă o izolare ridicată, pierderi reduse la inserție și să genereze armonici reduse.

LNA-urile sunt o altă parte esențială a lanțului de semnal RF (Figura 3). La fel ca diferitele abordări ale gestionării antenelor, utilizarea LNA-urilor poate îmbunătăți calitatea recepției și poate crește viteza de transfer a datelor. LNA-urile sunt disponibile cu un câștig fix sau cu mai multe trepte de câștig care pot fi utilizate pentru a regla fin performanța. LNA-urile bazate pe tehnologia circuitelor integrate monolitice cu microunde (MMIC) au fost produse în mod tradițional folosind tehnologia cu arseniură de galiu (GaAs). MMIC-urile LNA din siliciu germaniu (SiGe), dezvoltate mai recent, pot accepta frecvențele necesare la un cost mai mic. LNA-urile sunt dispozitive foarte compacte care pot fi integrate cu ușurință în pachete foarte mici. În plus, MMIC-urile LNA sunt disponibile cu protecție integrată împotriva descărcărilor electrostatice (ESD), iar consumul redus de energie le face potrivite pentru dispozitive mobile și dispozitive purtabile, unde SWaP este un aspect important.

Figura 3: utilizarea comutatoarelor de diversitate și a LNA-urilor poate contribui la îmbunătățirea calității recepției și la creșterea vitezei de transfer a datelor. (Sursa imaginii: Infineon)

Interfețe de control

Comutatoarele de reglare a antenei, comutatoarele transversale și comutatoarele de diversitate necesită, în general, o interfață cu controlerul sistemului. În implementările simple, se utilizează adesea o interfață de intrare/ieșire de uz general (GPIO). Un GPIO este un pin de semnal neangajat care poate fi controlat de software pe un circuit integrat și care poate fi programat să acționeze ca intrare sau ieșire, sau ca ambele, în funcție de necesități.

Pentru nevoi de control mai complexe, se utilizează în general standardul de interfață cu procesor industrial mobil (MIPI). Interfața de control MIPI RF front-end (RFFE) a fost optimizată pentru utilizarea în lanțurile de semnal RF de înaltă performanță pentru a oferi funcții de control rapide, semiautomate și extinse. MIPI RFFE poate include până la 19 dispozitive pe magistrală (până la patru dispozitive de tip „leader” și 15 dispozitive de tip „follower”). Este proiectat pentru a fi utilizat cu LNA-uri, tunere de antenă, comutatoare, amplificatoare de putere și filtre. MIPI RFFE poate facilita proiectarea, configurarea și integrarea lanțurilor de semnal RF și permite utilizarea componentelor de la diferiți furnizori.

LNA controlabil cu MIPI

Proiectanții pot utiliza LNA-ul BGA9H1MN9E6329XTSA1 de la Infineon pentru lanțuri de semnal RF de înaltă performanță. Interfața MIPI poate controla cele opt moduri de câștig și cele 11 moduri de polarizare pentru a crește gama dinamică a sistemului prin adaptarea activă la condițiile schimbătoare din mediul RF (Figura 4). Aceasta este proiectată pentru a fi utilizată în benzile 3GPP între 1,4 și 2,7 gigahertzi (GHz) (în principal pentru benzile B1, B3, n41 și B21). Poate oferi o valoare a zgomotului de 0,6 decibeli (dB) și un câștig de până la 20,2 dB cu un curent de 5,8 miliamperi (mA). Funcționează cu tensiuni de alimentare de la 1,1 la 2,0 volți și este calificat pentru aplicații industriale pe baza JEDEC47/20/22.

Figura 4: interfața MIPI de pe acest LNA poate controla opt moduri de funcționare a câștigului și 11 moduri de polarizare pentru optimizarea performanțelor. (Sursa imaginii: Infineon)

Acesta are mai multe caracteristici care ajută la îndeplinirea cerințelor SWaP dificile, printre care:

• Dimensiune: TSNP-9 cu nouă pini măsoară 1,1 × 1,1 milimetri (mm), iar înălțimea sa de 0,375 mm îl face potrivit pentru aplicații cu spațiu limitat.
• Greutate: pachetul TSNP-9 a fost optimizat pentru a fi utilizat în cazul în care greutatea redusă este o cerință.
• Putere: LNA-ul BGA9H1MN9E6329XTSA1 are un curent de bypass de numai 2 microamperi (µA), prelungind durata de funcționare a bateriei.

Comutator de diversitate antenă

Comutatorul de diversitate de bandă largă BGS12WN6E6327XTSA1 monopolar pentru două circuite (SPDT) de la Infineon are o viteză de comutare tipică de 160 de nanosecunde (ns), plus logică de control integrată (decodor) și protecție ESD (Figura 5). Proiectat pentru utilizarea în lanțurile de semnale Wi-Fi, Bluetooth și RF în bandă ultralargă, oricare dintre cele două porturi se poate conecta la o antenă de diversitate și poate gestiona până la 26 dB, cu referință la 1 miliwatt (dBm). Acesta este fabricat cu tehnologie MOS și oferă performanța unui dispozitiv GaAs, dar elimină necesitatea condensatoarelor externe de blocare c.c. pe porturile RF, cu excepția cazului în care se preconizează că se va aplica o tensiune externă de curent continuu.

Cipul include logica CMOS comandată de un singur semnal de control CMOS sau TTL compatibil. Acesta dispune de o izolare ridicată între porturi și pierderi scăzute la inserție, de până la 9 GHz. Pentru a reduce dimensiunile și greutatea, dispozitivul este livrat într-un pachet PG-TSNP-6-10 care măsoară 0,7 × 1,1 mm cu o înălțime maximă de 0,375 mm. Acesta poate funcționa cu tensiuni de alimentare de până la 4,2 volți, cu un curent de alimentare tipic de 36 µA și un curent de control de 2 nanoamperi (nA), maximizând timpul de funcționare în dispozitivele alimentate cu baterii.

Figura 5: comutatorul de diversitate BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT poate comuta în 160 ns și include o logică de control integrată și protecție ESD. (Sursa imaginii: Infineon)

Comutator transversal RF

Comutatorul transversal RF CMOS BGSX22G6U10E6327XTSA1 de la Infineon este special conceput pentru aplicații GSM, WCDMA, LTE și 5G. Acest comutator bipolar cu două direcții (DPDT) are pierderi scăzute la inserție, la frecvențe de până la 7,125 GHz, generare de armonici reduse și izolare ridicată între porturile RF. Timpul său de comutare de 1,3 microsecunde (µs) permite suportul pentru aplicațiile de semnal de referință de sondare (SRS) 5G. Are o interfață de control GPIO și funcționează cu tensiuni de alimentare de la 1,6 la 3,6 volți. Capsula PG-ULGA-10 măsoară 1,1 × 1,5 mm, are o grosime de 0,60 mm și este optimizat pentru aplicații cu spațiu și greutate limitate. Acest dispozitiv cu consum redus de energie are un curent de alimentare tipic de 25 µA și un curent de control de 2 nA.

Comutator de reglare a antenei

Proiectele care au nevoie de un comutator de reglare a antenei monopolar cu patru direcții (SP4T), optimizat pentru aplicații de până la 7,125 GHz, pot utiliza BGSA14M2N10E6327XTSA1 de la Infineon. Cele patru porturi de 0,85 ohm (Ω) cu rezistență la pornire sunt concepute pentru a fi utilizate în aplicații de reglare cu Q ridicat. Interfața de control digital MIPI RFEE simplifică implementarea în lanțurile de semnale RF. Capacitatea sa de tensiune de vârf de 45 de volți și capacitatea scăzută de 160 femtofarzi (fF) în starea oprită îl fac potrivit pentru comutarea inductorilor și condensatoarelor în circuitele de adaptare a antenelor RF fără pierderi semnificative (Figura 6). Capsula TSNP-10-9 de 1,3 × 0,95 mm, cu o înălțime de 0,375 mm, combinată cu un consum de curent de 22 µA, face ca acest dispozitiv să fie capabil să susțină aplicații SWaP dificile.

Figura 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 poate comuta eficient inductori și condensatoare în circuitele de adaptare a antenelor RF. (Sursa imaginii: Infineon)

Tranzistoare RF

Un lanț de semnal RF de înaltă performanță începe cu secțiunea de emisie-recepție și amplificator RF. Acest lucru necesită tranzistoare de putere RF, cum ar fi tranzistorul bipolar cu heterojoncțiune (HBT) NPN RF de bandă largă BFP760H6327XTSA1 de la Infineon, care dispune de:

• Cifra de zgomot minimă scăzută (NF_min) de 0,95 dB la 5,5 GHz, 3 volți, 10 mA
• Câștig maxim de putere ridicat (G_ms) de 16,5 dB la 5,5 GHz, 3 volți, 30 mA
• Liniaritate ridicată cu punctul de interceptare de ordinul 3 la ieșire (OIP₃) de 27 dBm la 5,5 GHz, 3 volți, 30 mA

Acest tranzistor de putere este calificat pentru aplicații industriale. Este proiectat pentru a fi utilizat în sistemele de comunicații fără fir și prin satelit, dispozitivele de navigație GPS, dispozitivele multimedia mobile și alte aplicații RF de înaltă performanță.

Opțiunile capsulei TSNP

Dimensiunile mici ale capsulelor TSNP necesită toleranțe geometrice stabile pe placa de circuite imprimate și ar trebui să se utilizeze un design de plăcuță fără mască de lipit (NSMD). Toleranțele plăcuțelor pentru NSMD sunt mai mici în comparație cu rezistența la lipire. Pentru NSMD, traseele de pe placa de circuite imprimate trebuie să fie de 100 micrometri (µm) sau mai mici. În mod obișnuit, plăcuțele de pe placa de circuite imprimate pentru TSNP numai cu partea de jos, așa cum sunt utilizate de LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1, comutatorul de diversitate a antenei BGS12WN6E6327XTSA1 și comutatorul de reglare a antenei BGSA14M2N10E6327XTSA1 descrise mai sus, sunt proiectate prin transferul conturului plăcuțelor capsulelor și adăugarea a 25 µm în jurul laturilor plăcuțelor.

Proiectanții trebuie să fie conștienți de faptul că există mai multe stiluri de plăcuțe TSNP. Există plăcuțe standard și există plăcuțe concepute pentru inspecția optică cu vârf de plumb (LTI) (Figura 7). Dispozitivele LTI necesită o suprafață de montare mai mare, deoarece placa de circuite imprimate trebuie să se extindă dincolo de conturul capsulei cu cel puțin 400 μm (Figura 7). În timp ce proiectul LTI acceptă inspecția optică, este posibil să nu fie potrivit pentru proiectele critice SWaP care necesită cea mai mică dimensiune posibilă a soluției.

Figura 7: sunt disponibile pachete TSNP care utilizează plăcuțe standard (stânga) sau plăcuțe mai mari optimizate pentru LTI optic (dreapta). (Sursa imaginii: Infineon)

Concluzie

Considerentele SWaP sunt importante atunci când se specifică tunerele de antenă, comutatoarele transversale RF, comutatoarele de diversitate de antenă, LNA-urile și tranzistoarele RF cu zgomot redus într-o gamă de dispozitive wireless portabile și purtabile. După cum s-a arătat, Infineon oferă proiectanților o gamă de dispozitive pentru utilizarea în aplicații de înaltă performanță în lanțul de semnale RF, care pot satisface și cerințe SWaP exigente. Cu ajutorul acestor dispozitive, proiectanții pot optimiza fiabilitatea și lățimea de bandă a lanțului de semnal RF și pot prelungi durata de viață a bateriei.

Lectură recomandată

1. Cum se utilizează senzorii digitali de temperatură, de înaltă precizie, în dispozitivele purtabile pentru monitorizarea stării de sănătate
2. Prezentare generală a tehnologiei wireless pentru IoT