SWaP-optimointi suorituskyvyltään korkeissa RF-signaaliketjuissa

Suorituskyvyltään korkeiden langattomien yhteyksien kysyntä jatkaa kasvua yhä useammilla sovellusalueilla, joihin kuuluvat älypuhelimet, kannettavat tietokoneet, tabletit, puettavat laitteet, droonit, tukiasemat ja älykodin ja esineiden internetin (Internet of Things, IoT) laitteet. Loppukäyttäjäkokemus on näiden laitteiden suunnittelijoille ratkaiseva differentioiva tekijä, johon vaikuttavat pääosin langattoman signaalin laatu, suorituskyky ja luotettavuus sekä akun kesto. Laitteen koko ja paino ovat muita tärkeitä differentioivia tekijöitä, erityisesti tarkasteltaessa puettavia laitteita. Näiden ominaisuuksien optimointi edellyttää suunnittelijoilta radiotaajuussignaaliketjun (RF) kaikkien osa-alueiden tarkkaa tutkimista, mikä voi olla pelottava haaste sekä asiantuntijoille että RF-noviiseille.

Tässä artikkelissa käsitellään RF-signaaliketjun eri osia ja siinä kerrotaan mikä osa antennivirittimillä, RF-ristikytkimillä, antennien diversiteettikytkimillä, pienikohinaisilla vahvistimilla (LNA) ja pienikohinaisilla RF-transistoreilla on suorituskykyisien ratkaisujen suunnittelussa, sekä tarkastellaan vaihtoehtoisia ohjausrajapintoja. Sen jälkeen siinä esitellään Infineonin esimerkkikomponentteja ja näytetään, miten ne tukevat korkean suorituskyvyn RF-ratkaisuja ja samalla täyttävät yhä haastavammat koko-, paino- ja tehovaatimukset (SWaP). Lopuksi artikkelissa vertaillaan kahta pientä, lyijytöntä kompakteihin RF-ratkaisuihin tarkoitettua kotelovaihtoehtoa (TSNP).

Antennien perusteet

Antennin suorituskyky on ratkaisevan tärkeä ominaisuus nykypäivän verkkoon kytketyissä laitteissa. Yksi ainut antenni voi tarjota virittämällä hyvän suorituskyvyn useilla taajuusalueilla ja helpottaa kompaktin ja tehokkaan ratkaisun luontia. Suunnittelijat voivat käyttää RF-signaaliketjun antenniviritinosan kytkimiä antenniin siirrettävän tehon maksimointiin ja suorituskyvyn optimointiin sovelluskohtaisten vaatimusten mukaisesti (kuva 1).

Kuva 1: Antennivirityskytkimiä käytetään viritinosassa antennin suorituskyvyn optimointiin. (Kuvalähde: Infineon)

RF-ristikytkimet

Antenniviritys on monissa sovelluksissa välttämätöntä optimaalisen suorituskyvyn varmistamiseksi, mutta se ei riitä yksinään. Tällaisissa tapauksissa saatetaan tarvita useampi kuin yksi antenni. Signaaliketjuun voidaan lisätä RF-ristikytkin, joka mahdollistaa sen antennin valitsemisen, joka tarjoaa parhaan suorituskyvyn tietyssä tilanteessa nostamalla lähetystehoa tai vastaanotinherkkyyttä (kuva 2). RF-ristikytkimien täytyy suorittaa kytkentä tehokkaasti ja nopeasti, jotta antenninvaihdot olisivat hyödyllisiä. Järjestelmän tehokas ja luotettava käyttö vaatii myös, että niiden on tarjottava korkea erotus, alhainen kytkentähäviö eikä niissä saa syntyä liikaa harmonisia monikertoja.

Kuva 2: RF-ristikytkimen käyttö mahdollistaa suorituskyvyltään parhaan antennin valinnan tietojen lataamiseksi ylös- ja alaspäin. (Kuvalähde: Infineon)

Diversiteettikytkimet ja pienikohinaiset vahvistimet

Joskus parhaaseen antenniin vaihto ei vielä riitä tarjoamaan vaadittua kaistanleveyttä. Tällaisissa tilanteissa RF-signaaliketjuun lisätään lisäkanava, jota kutsutaan diversiteettipoluksi. Antennidiversiteetti parantaa lähetyksen ja vastaanoton laatua ja luotettavuutta. Diversiteettikytkimiä käytetään monenlaisissa sovelluksissa Wi-Fi-verkkolaitteista älypuhelimiin ja tabletteihin. Näillä kytkimillä voidaan kompensoida signaalien vastaanotossa esiintyviä monitiehäiriöitä. Vastaanotin seuraa saapuvia signaaleja ja vaihtaa antennien välillä suhteellisen signaalivoimakkuuden perusteella. Diversiteettikytkimiltä vaaditaan RF-ristikytkinten tavoin korkea erotus, alhainen kytkentähäviö sekä alhaiset harmoniset monikerrat.

LNA-vahvistimet ovat toinen keskeinen RF-signaaliketjuun kuuluva osa (kuva 3). Kuten erilaisilla antenninhallinnan lähestymistavoilla, myös LNA-vahvistinten käytöllä voidaan parantaa vastaanoton laatua ja kasvattaa tiedonsiirtonopeuksia. LNA-vahvistimia on saatavana sekä kiinteällä vahvistuskertoimella että useilla vahvistusvaiheilla, joilla suorituskykyä voidaan hienosäätää. MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) -teknologiaan perustuvat LNA-vahvistimet on perinteisesti valmistettu galliumarseniditekniikalla (GaAs). Hiljattain kehitetyt piigermaniumista (SiGe) valmistetut MMIC LNA-vahvistimet tukevat vaadittavia taajuuksia alhaisemmalla hinnalla. LNA-vahvistimet ovat erittäin kompakteja komponentteja, jotka on helppo integroida hyvin pieniin koteloihin. MMIC LNA-vahvistimia on saatavana myös integroidulla ESD (electrostatic discharge) -suojauksella. Ne soveltuvat alhaisen virrankulutuksensa ansiosta hyvin myös mobiileihin ja puettaviin laitteisiin, joissa SWaP on tärkeä näkökohta.

Kuva 3: Diversiteettikytkimien ja LNA-vahvistinten käytöllä voidaan parantaa vastaanoton laatua ja kasvattaa tiedonsiirtonopeutta. (Kuvalähde: Infineon)

Ohjausrajapinnat

Antennivirityskytkimet, ristikytkimet ja diversiteettikytkimet vaativat yleensä rajapinnan järjestelmäohjaimen kanssa. Yksinkertaisissa toteutuksissa käytetään usein GPIO (General-Purpose Input/Output) -rajapintaa. GPIO on mikropiiriin kuuluva vapaa ohjelmistolla ohjattava signaalinasta, joka voidaan ohjelmoida toimimaan tulona tai lähtönä tai molempina tarpeen mukaan.

Kompleksisempiin ohjaustarpeisiin käytetään yleensä MIPI-standardin (Mobile Industry Processor Interface) mukaista rajapintaa. MIPI RF-etuaste (RFFE) -ohjausrajapinta on optimoitu käytettäväksi suorituskyvyltään korkeissa RF-signaaliketjuissa, ja se tarjoaa nopeat puoliautomaattiset ja monipuoliset ohjaustoiminnot. MIPI RFFE voi sisältää jopa 19 laitetta väylää kohti (enintään neljä johtajaa ja 15 seuraajaa). Se on suunniteltu käyttöön LNA-vahvistinten, antennivirittimien, kytkimien, tehovahvistimien ja suodattimien kanssa. MIPI RFFE voi helpottaa RF-signaaliketjujen suunnittelua, konfigurointia ja integrointia, ja se tukee eri toimittajien komponentteja.

MIPI-ohjattava LNA

Suunnittelijat voivat käyttää Infineonin LNA-vahvistinta BGA9H1MN9E6329XTSA1 suorituskyvyltään korkeissa RF-signaaliketjuissa. MIPI-rajapinta voi ohjata kahdeksaa vahvistustilaa ja 11 esijännitetilaa järjestelmän dynaamisen alueen laajentamiseksi mukautumalla aktiivisesti RF-ympäristön muuttuviin olosuhteisiin (kuva 4). Se on suunniteltu käyttöön 3GPP:n taajuusalueilla 1,4–2,7 GHz (ensisijaisesti taajuusalueilla B1, B3, n41 ja B21). Se voi tarjota 0,6 desibelin (dB) kohina-arvon ja jopa 20,2 dB:n vahvistuksen 5,8 milliampeerin (mA) virralla. Rajapinta toimii 1,1–2,0 voltin syöttöjännitteillä ja se on hyväksytty teollisuussovelluksiin standardin JEDEC47/20/22 mukaisesti.

Kuva 4: Tämän LNA-vahvistimen MIPI-rajapinta voi ohjata kahdeksaa vahvistustilaa ja 11 esijännitetilaa suorituskyvyn optimoimiseksi. (Kuvalähde: Infineon)

Se tarjoaa useita ominaisuuksia, joiden avulla voidaan täyttää haastavat SWaP-vaatimukset, mm.:

• Koko: Yhdeksänjalkaisen TSNP-9-kotelon koko on 1,1 × 1,1 millimetriä (mm) ja korkeus 0,375 mm, joten se soveltuu erittäin hyvin tilarajoitteisiin sovelluksiin.
• Paino: TSNP-9-kotelo on optimoitu käyttöön kohteissa, joissa vaaditaan kevyttä painoa.
• Virrankulutus: BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA-vahvistimen ohitusvirta on vain 2 mikroampeeria (µA), mikä pidentää akun käyttöaikaa.

Antennin diversiteettikytkin

Infineonin laajakaistaisen SPDT (Single Pole Double Throw) -diversiteettikytkimen BGS12WN6E6327XTSA1 ominaisuuksiin kuuluvat tyypillinen 160 nanosekunnin (ns) kytkentänopeus sekä integroitu ohjauslogiikka (dekooderi) ja ESD-suojaus (kuva 5). Kumpi tahansa sen Wi-Fi-, Bluetooth- ja ultralaajakaistaisiin RF-signaaliketjuihin tarkoitetuista porteista voidaan yhdistää diversiteettiantenniin ja se tarjoaa jopa 26 dB:n tehon suhteessa 1 milliwattiin (dBm). Tämä kytkin valmistetaan MOS-tekniikalla ja se tarjoaa GaAs-laitteen suorituskyvyn. RF-porteissa ei kuitenkaan tarvita ulkoisia DC-estokondensaattoreja, mikäli portteihin ei odoteta kohdistuvan DC-jännitettä.

Siru sisältää CMOS-logiikan, jota ohjataan yhdellä ainoalla CMOS- tai TTL-yhteensopivalla ohjaussignaalilla. Sen ominaisuuksiin kuuluvat korkea porttien välinen erotus ja alhaiset kytkentähäviöt taajuuteen 9 GHz saakka. Kokoa ja painoa pienentää se, että laite käyttää PG-TSNP-6-10-koteloa, jonka mitat ovat 0,7 × 1,1 mm ja enimmäiskorkeus 0,375 mm. Se voi toimia jopa 4,2 voltin syöttöjännitteillä tyypillisen syöttövirran ollessa 36 µA ja ohjausvirran 2 nanoampeeria (nA), mikä maksimoi akkukäyttöisten laitteiden käyttöajan.

Kuva 5: SPDT-diversiteettikytkimen BGS12WN6E6327XTSA1 kytkeytymisaika on vain 160 nanosekuntia. Se sisältää integroidun ohjauslogiikan ja ESD-suojauksen. (Kuvalähde: Infineon)

RF-ristikytkin

Infineonin RF CMOS -ristikytkin BGSX22G6U10E6327XTSA1 on suunniteltu erityisesti GSM-, WCDMA-, LTE- ja 5G-sovelluksiin. Tämän DPDT (Double-Pole Double-Throw) -kytkimen ominaisuuksiin kuuluvat alhainen kytkentähäviö jopa 7,125 GHz:n taajuuksilla, alhainen harmonisten yliaaltojen luonti ja sen RF-porttien välinen korkea erotus. Ristikytkimen 1,3 mikrosekunnin (µs) kytkentäaika mahdollistaa 5G SRS (Sounding Reference Signal) -sovellusten tukemisen. Se sisältää GPIO-ohjausrajapinnan ja toimii 1,6–3,6 voltin syöttöjännitteillä. PG-ULGA-10-kotelon mitat ovat 1,1 × 1,5 mm ja sen paksuus on 0,60 mm. Se on siten optimoitu tila- ja painorajoitteisiin sovelluksiin. Tämän vähävirtaisen laitteen tyypillinen syöttövirta on 25 µA ja ohjausvirta 2 nA.

Antennivirityskytkin

Ratkaisuissa, jotka vaaditaan jopa 7,125 GHz:n sovelluksiin optimoitua SP4T (Single Pole Four Throw) -antennivirityskytkintä, voidaan käyttää Infineonin kytkintä BGSA14M2N10E6327XTSA1. Neljä johtamisresistanssiltaan 0,85 ohmin (Ω) porttia on tarkoitettu korkean Q-arvon virityssovelluksiin. Digitaalinen MIPI RFEE -ohjausrajapinta helpottaa RF-signaaliketjujen toteutusta. Se soveltuu 45 voltin huippujännitekapasiteetin ja alhaisen kapasitanssin (160 femtofaradia (fF) OFF-tilassa) ansiosta hyvin induktoreiden ja kondensaattoreiden kytkemiseen RF-antennien sovituspiireissä ilman merkittäviä häviöitä (kuva 6). TSNP-10-9-kotelo sopii kokonsa 1,3 × 0,95 mm, korkeutensa 0,375 mm sekä virrankulutuksensa 22 µA puolesta haastaviin SWaP-sovelluksiin.

Kuva 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 voi kytkeä induktoreita ja kondensaattoreita tehokkaasti RF-antennin sovituspiireissä. (Kuvalähde: Infineon)

RF-transistorit

Korkean suorituskyvyn RF-signaaliketju alkaa lähetinvastaanottimesta ja RF-vahvistinosasta. Tämä vaatii RF-tehotransistoreita, kuten Infineonin laajakaistaisen NPN RF HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) -bipolaaritransistorin BFP760H6327XTSA1. Se tarjoaa seuraavat ominaisuudet:

• Alhainen minimikohina-arvo (NF_min) 0,95 dB arvoilla 5,5 GHz, 3 V, 10 mA
• Korkea maksimitehovahvistus (G_ms) 16,5 dB arvoilla 5,5 GHz, 3 V, 30 mA
• Korkea lineaarisuus 3. asteen leikkauspisteellä lähdössä (OIP₃) 27 dBm arvoilla 5,5 GHz, 3 V, 30 mA

Tämä tehotransistori on hyväksytty teollisuussovelluksiin. Se on suunniteltu langattomiin ja satelliittiviestintäjärjestelmiin, GPS-navigointilaitteisiin, mobiileihin multimedialaitteisiin ja muihin suorituskyvyltään korkeisiin RF-sovelluksiin.

TSNP-kotelovaihtoehdot

TSNP-koteloiden pieni koko vaatii piirilevyltä hyviä geometriatoleransseja sekä NSMD (Non-Solder Mask Defined) -tekniikan käyttöä. NSMD-juotoskohtien toleranssit ovat pienemmät kuin juotosmaskin. NSMD-teknologiaa käytettäessä piirilevyn johtimien tulisi olla enintään 100 mikrometriä (µm). Tyypillisesti juotoskohta valitaan piirilevyn alapuolelle käytettäessä TSNP-koteloa, esimerkkeinä edellä kuvattu LNA-vahvistin BGA9H1MN9E6329XTSA1, antennien diversiteettikytkin BGS12WN6E6327XTSA1 ja antennivirityskytkin BGSA14M2N10E6327XTSA1. Nämä suunnitellaan tyypillisesti tuomalla kotelon juotoskohdan ulkoreunat ja lisäämällä 25 µm sen sivuille.

Suunnittelijoiden tulee ottaa huomioon, että on erilaisia TSNP-tyyppejä. On olemassa perusalustoja ja optiseen LTI (Lead Tip Inspection) -tarkastukseen suunniteltuja alustoja (kuva 7). LTI-laitteet vaativat suuremman asennuspinta-alan, koska piirilevyllä olevan juotoskohdan täytyy ulottua vähintään 400 μm kotelon ulkoreunan ulkopuolelle (kuva 7). Vaikka LTI-malli tukeekin optista tarkastusta, se ei välttämättä sovellu SWaP-kriittisiin rakenteisiin, jotka edellyttävät mahdollisimman pientä ratkaisukokoa.

Kuva 7: Saatavana on TSNP-koteloita, joissa käytetään perusmallisia (vasemmalla) tai optiseen LTI-tarkastukseen optimoituja suurempia juotoskohtia. (Kuvalähde: Infineon)

Yhteenveto

SWaP-näkökohdat ovat tärkeitä valittaessa antennivirittimiä, RF-ristikytkimiä, antennien diversiteettikytkimiä, LNA-vahvistimia ja pienikohinaisia RF-transistoreja erilaisiin kannettaviin ja puettaviin langattomiin laitteisiin. Kuten edellä on esitetty, Infineon tarjoaa suunnittelijoille joukon komponentteja, joita voidaan käyttää suorituskyvyltään korkeissa RF-signaaliketjusovelluksissa ja jotka täyttävät myös haastavat SWaP-vaatimukset. Näitä komponentteja käyttämällä suunnittelijat voivat optimoida RF-signaaliketjun luotettavuuden ja kaistanleveyden sekä pidentää akun käyttöikää.

Suositeltavaa luettavaa

1. Huipputarkkojen digitaalisten lämpötila-antureiden käyttö terveysseurantaan tarkoitetuissa puettavissa laitteissa
2. Langaton teknologia esineiden internetissä