用于通用標準無線電鏈路的小型化RF芯片

本文是兩部分中的第二部分，研究了一些關鍵有源元件和系統(tǒng)元件的小型化，這些元件和系統(tǒng)元件將使下一代無線鏈路的設計人員能夠提供更小，更高效的無線電和無線電子系統(tǒng)。我們將研究RF晶體管，混頻器，調制器和放大器等小型有源元件，并討論對片上系統(tǒng)（SOC）和多芯片模塊（MCM）型原型有用的模片器件。初始生產運行。

第1部分介紹了最新的小型無源器件，它們將多個分立元件集成到較小的表面貼裝版本中。這些節(jié)省了空間，成本并提高了性能，并且可廣泛用于現代通用標準無線電鏈路收發(fā)器芯片，其設計通常是第三代或第四代。許多也可用于下一代和定制無線電設計。

有源離散（或功能塊）組件正在為個人局域網（PAN）和可穿戴計算機尋求下一代無線解決方案。雖然功能密集，但柔性部件可用于繼續(xù)向更高頻率，更小波長系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。這些允許進一步減小尺寸并且可以使用更低的功率水平，因為PAN RF場在體積空間上是如此受限。

急于領導而不是跟隨的創(chuàng)新者將使用目前可用的構建模塊來設計和構建他們自己的下一代無線電系統(tǒng)。本文將介紹其中一些活動塊?？梢栽?a href="http://www.ttokpm.com/tags/digi-key/" target="_blank">Digi-Key的網站上找到本文中提到的所有部件，數據表，參考設計和開發(fā)套件。

再次回到原點

在設計下一代無線電時，通常需要兩個主要級別的原型。功能開發(fā)組將需要集成功能塊，以便在測量和優(yōu)化階段之間進行訪問。這可以允許探測和調整值以優(yōu)化功率傳輸并逐步維持信號完整性。

雖然一些先進的無線電收發(fā)器芯片制造商將制造成品作為MCM，但最佳的投資回報是使用單片器件。作為第二代或第三代設備，縮小的單片形式通常具有更高的價格效率，并且通常更小且性能更好，因為它利用了早期版本獲得的經驗。

然而，這種轉變?yōu)閱纹问皆谛略O計中有效。 PCB上的跡線運行通常表征為嚴格的阻抗和傳輸線特性。在多芯片模塊或定制硅片上，必須使用新材料和尺寸重新建立所有特性。因此，實際上，從物理角度來看，它是一種新設計。

在下一代無線電原型設計時，RF開關可能非常重要。通過提供對內部節(jié)點的切換訪問，設計人員可以指導信號路徑，探測或調整階段。但請注意，開關也需要調整。標準接觸開關可能無法與RF配合使用。高頻信號使用接觸間隔（甚至介電間距）作為穿通電容器。因此，需要特殊的RF開關（和連接器）。

幾種高質量和小尺寸的單片和模片式RF開關可以“現成”服務，用于內部訪問原型級或多天線和共享路徑設計。注意，這些特征在于具有頻率上限和頻率上限，以及頻率隔離的插入損耗和頻譜圖。還要注意，存在各種拓撲以提供更多的信號路徑靈活性，尤其是在單個天線可以服務于若干頻率，帶寬和協議的情況下。例如，多路復用器比分立開關需要更少的信號跡線。

讓我們看一下緊湊型（SC70-6）封裝的Peregrine 4259-63反射式RF開關。它在10 MHz至3 GHz范圍內呈現50歐姆，是SPDT通用RF開關，插入損耗低至0.5 dB。一個很好的功能是可選擇的單線或雙線控制，允許精確的先開后合操作。

該部件是供應商的UltraCMOS系列的成員，使用藍寶石襯底提供可比較昂貴的性能硅鍺或砷化鎵技術，同時還具有更好的功率處理和ESD耐受性。家庭成員包括射頻開關，混頻器和衰減器。

吸收型開關也可用于互斥和負載平衡切換。例如，RF Micro Devices的50 Ohm SPDT RF3025TR7具有從10 MHz到6 GHz的非常寬的范圍，具有非常低的1.1 dB插入損耗（圖1）。在1 GHz以下的頻率下，這可以變?yōu)?.5 dB，為UHF接收器提供清晰的路徑，例如，共享相同的天線。

圖1：吸收開關具有端接或加載的非開關條件，有助于保持一致的信號路徑阻抗。

根據感興趣的頻率，頻段選擇范圍可達86 MHz。對于MCM和SoC解決方案，Hittite（現為ADI公司的一部分）的86 MHz SPDT裸片RF開關可以實現這一目標。 HMC-SDD112在86 MHz時具有良好的30 dB隔離頻率，并具有相當低的2 dB插入損耗。雖然目前用于現代雷達，但隨著更高頻率和更高數據速率鏈路的建立，其他應用的附加部件必將變得可用。

在混音中

RF混頻器是3端口調制器或解調器，可以是主動或被動。它們既可用于上轉換（在發(fā)射器中使用時），也可用于下轉換（在接收器中使用時）[圖2]。輸入RF與本地振蕩器組合以產生中頻，該中頻在初始頻率，本地振蕩器頻率以及和頻和差頻的混合中保留感興趣的信號;希望沒有相移或衰減。

圖2：以被動和主動形式進行上轉換（左）和下轉換（右）的混音器提供無線電設計所需的基本調制功能。有源混頻器可以是使用分立有源元件的下一代原型的一部分，并在旋轉單片解決方案后進行片上遷移。

無源混頻器通常會出現損耗，而有源混頻器則會出現增益。雖然無源器件具有寬帶寬和良好的互調失真特性，但有源混頻器可以更好地集成到單芯片解決方案中，并且可以提供良好的信號隔離以及對負載匹配的靈敏度較低。

與開關類似，選擇混頻器的頻率范圍，損耗和相位特性。一個例子是Maxim MAX2682EUT + T下變頻器采用緊湊型SOT23-6封裝，可以針對既定的ISM和蜂窩通信設計，或實現400 MHz至2.5 GHz之間的任何新無線電設計?；诠桄N工藝，它適用于共享GPS和2.4 GHz ISM鏈路。 Maxim提供多種應用筆記，包括PCB布局指南 1 ，GPS前端 2 和衛(wèi)星接收器鏈路 3 。

5 GHz頻段也有幾個不錯的選擇，可以與2.4 GHz頻段共享連接，以實現更高速的雙頻無線局域網連接。像Hittite HMC557LC4TR這樣的器件可以作為上變頻器和下變頻器，用于2.4 GHz至7 GHz的收發(fā)器設計，具有寬DC-3 GHz IF帶寬。

像Hittite HMC520LC4TR這樣的高頻段6 GHz至10 GHz部件可用于成像應用，例如墻壁線，螺柱和指甲探測器。此外，對于下一代可穿戴計算機，HMC1081將處理現在用于PAN應用的60 GHz頻段。這些超小型單元將需要單片解決方案，因此像HMC1081這樣的裸片部件非常適合在原型MCM上使用。

RF晶體管

當需要外部驅動來提供比單片發(fā)射器通?？梢蕴幚淼母嗟妮敵龉β蕰r，可以使用外部RF晶體管。這些部件可以放置得更靠近實際天線，以提高效率并提供更高的發(fā)射電流。 RF晶體管還可以用作更高功率的開關，以隔離敏感的接收部分，同時進行更高功率的傳輸。

通常，輸出驅動器使用NPN和PNP晶體管，因為它們比FET更堅固（但并非總是如此）。 FET在提供最低導通電阻方面非常有效，因此可以在信號路徑中更有效地使用。這可以是將信號路徑引導到例如另一個天線，或者用于探測信號鏈以用于探測目的。正如所料，晶體管選擇主要基于工作頻率和電壓，但低RDS（ON），電流處理能力和尺寸也是關鍵因素。

晶體管可用于所有頻段，包括UHF，當信號穿透墻壁和結構時具有優(yōu)勢，這是很重要的。像CEL NE68019-A這樣的部件在緊湊的3引腳SOT 543中支持低于2GHz的信號，并且可以提供比單片無線電芯片內通?？捎玫母叩妮敵龉β省?/p>

也可以使用東芝2SC5084-O（TE85L，F），它具有高達7 GHz的良好輸出功率處理能力，具有150 mW的輸出功率。這可以輕松處理5 GHz，因此可以與雙頻Wi-Fi以及ZigBee，GSM，藍牙和其他2.4 GHz協議一起使用。

50歐姆輸入等低頻部分 - 輸出東芝2SC2714-O（TE85L，F）可用于FM輸出級以及使用高頻混頻器的IF開關?？蛇x擇的IF振蕩器可以允許相同的收發(fā)器模塊處理不同的帶寬。另請注意，晶體管陣列也可用于節(jié)省更多空間，但您可能會失去在任何地方放置單個元素的布局優(yōu)勢。

模具產品

各種模具產品可用于MCM原型或試運行。使用閃光退火陶瓷基板，即使是無源SMT器件也可以與芯片鍵合器件共存。此外，板上芯片技術可與RF疊層一起使用，以集成板和/或芯片天線。

許多離散功能，如衰減器，放大器，混頻器和調制器，在構建新的無線電設計時提供了很大的自由度。更重要的是，它們提供最高級別的功能集成，風險最小，因為每個功能塊都具有良好的特性，可以直接從滑槽中運行。

是否是6-20 GHz 3級放大器，如同Avago AMMC-5618-W10（圖3）或20瓦8-10.5 GHz PIN二極管端接SPDT開關，如MA/Com MASW-010647-13950G，所有產品均可用于開創(chuàng)即將推出的標準。

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圖3：注意這種20 GHz放大器芯片布局等簡單功能的復雜性。使用有源芯片和無源陣列作為原型，使用已知的構建模塊提供密集且高效的MCM設計。

也可以使用一些不常見的部件，例如用于20-40 GHz操作的2X倍頻器。 Avago芯片封裝的AMMC-6140-W10具有50歐姆的輸入和輸出阻抗，同時提供線性倍頻。

另一個有趣的選擇是來自Skyworks Solutions的ATN3590-10衰減器墊。

這些固定電阻衰減器是共面波導或微帶電路載波的理想選擇。它們具有固定衰減步長，與反射式RF開關結合使用時，可以進行階梯級調節(jié)。

總之

一旦協議和鏈接特性成為廣泛接受的標準，我們大多數人將使用來自主要供應商的集成芯片組。接下來的幾代人將提供免費軟件堆棧，并使無線電設計更像是一種剪切和粘貼操作。

然而，對于推動數字無線電信封的人來說，小型化仍然是關鍵驅動因素之一 - 特別是對于可穿戴計算機和外圍設備等高增長應用。