为今天的多模手机选择最恰当的发射架构

2008-04-01 16:04:29来源: 互联网

  在竞争激烈的GSM电话终端市场上,终端制造商开始期待可以加快开发速度和缩短开发周期的解决方案。由于越来越多功能丰富的新型手机开始集成百万像素数字相机、蓝牙技术和多媒体功能,设计者开始寻找尺寸更小和集成度更高的发射和接收RF模块,它们能够在提供卓越性能水平的同时占用更小的板空间。

  为了能够让更多的设计师快速完成这些日益复杂的新型手机终端的设计与开发,元器件解决方案供应商在如何去满足一些存在固有矛盾的设计要求方面面临着挑战。为了满足这些市场需求,RF Micro Devices(RFMD)公司的设计人员开发出了RF7115发射模块(TxM)。

  

  这种发射模块使得GSM射频前端向实现全面集成又前进了一步。作为该应用市场的一家主要元件供应商,我们见证了分立式射频前端解决方案的设计复杂性,这一复杂性常常导致GSM手机制造商无法顺利地进入量产阶段。这一体验促使我们开发出了一种嵌入功率放大器(PA)裸片和匹配电路的模块,并称之为功率放大器模块(PAM)。在此基础上,我们又进一步在PAM中嵌入了集成的功率控制,它可以替代复杂且敏感的控制环路,这一环路的设计目的是使PA输出能够很好地转换成GMSK突发模板(burst template)。

  在GMSK模式,为了满足ETSI规定的时序规范或限制,PA有突发时序要求。一个突发模板简单来说就是TxM模块控制信号的建议或实现时序,它用来确保在一个发射突发脉冲的上升和下降阶段,所有的ETSI限制都能得到满足。这一革命性技术进步可把电话平台的开发时间缩短1/4。

  TxM的好处

  除了尺寸减小和元件数量减少等显而易见的优点之外,同分立实现方案相比,TxM还在哪些方面确实给设计者带来了好处呢?

  降低Tx和Rx路径上的插入损失

  

  一般来说,发射模块通过集成任意数目的开关配置和内部架构来实现天线开关功能。常见的TxM模块架构包含两个Tx路径开关和3或4个Rx路径开关,并通过一个公共节点连接到天线。典型的配置采用SPXT或级联设计。

  尽管早期的开关模块绝大部分采用PIN二极管实现,但较新的设计都利用定制pHEMT开关设计来实现类似的或更好的性能。在各种开关设计方案中,基于pHEMT的设计的一个切实好处是降低了通过开关的插入损失(IL)。

  通过对pHEMT开关的引脚和谐波匹配滤波器进行精心的设计,可以把在Tx信号路径上的插入损失降到最小。通过尽可能地降低插入损失,PA输出功率可以更高效地传送到天线。这在TxM中是可以做到的,因为设计者对PA输出匹配和对匹配/网格(filet)及pHEMT输入的控制有充分的了解。与目前的PAM和ASM(天线开关模块)组合方案相比,这可给设计师带来某种程度的灵活性。这是可能的,因为TxM设计师已经不再被限制在50欧姆的输出环境中。他可以选择合适的阻抗来同放大器的输出进行匹配(典型值为2-4欧姆),并把它直接同一个pHEMT开关相匹配。这意味着只使用了一个匹配网络,因而可减少损失(见图1)。

  

  插入损失之所以能减小,是因为你无需再执行将PA输出端和ASM输入端的阻抗转换到50欧姆的任务。这可减少高达0.5dB的发射链损失,从而可为GSM模式节省150mA,为PCS/DCS模式节省90mA。

  类似地,接收路径(Rx)内部匹配拓扑也得益于50欧姆转换的消除,在TxM的Rx侧可以得到同样的好处。Rx插入损失的降低提高了Rx灵敏度。(见表1,使用RF7115和传统双波段/三波段ASM的Rx插入损失数据的柱状图比较。)

  

  

  改善谐波性能

  随着上市时间的重要性不断提高,设计复用已成为开发者所面临的一个共同课题,这导致了越来越多的手机开发平台的出现。我们已经看到,这一基于平台的开发趋势已越来越明显,未来许多手机设计都将采用射频收发器和PA+ASM的组合解决方案。但当把这个“知名”的平台应用于不同形状因子的设计时却遇到了很多困难。尤其是,蛤壳、糖棒和滑盖形手机形状因子都造成了天线与射频modem之间的不匹配和PCB性能的变化。因此,在一个形状因子下工作良好的平台与在另一个形状因子下的表现可能有很大差别,这通常会造成整体性能的下降。在这些情况下,天线差别通常是肇事元凶。

  射频平台设计师可以得益于拥有一个紧密控制的PA输出、谐波滤波器和开关接口。TxM向设计师提供了一个受控的环境,从而设计师可以优化从PA发出的谐波。这也使得该射频设计变成了一个真正可以适应各种形状因子的平台,TxM所包含的性能可以通过由制造商制订的电气规范得到保证。这一点对典型的PA+ASM平台设计来说是完全做不到的。

  TxM是以解决大多数手机设计者面临的一个设计困难而开发的。而且,即便在手机设计师完成了一个鲁棒设计之后,对精密匹配的任何修改都可能严重改变阻抗并影响在天线上所测到的谐波水平。通过保持这一接口的完整性,TxM设计师有更大的机会在极限条件下,甚至在不匹配的条件下来抑制谐波。例如,对TxM设计来说,通常可以实现在所有极限条件下以低于-35dBm的谐波水平达到4:1的VSWR(电压驻波比)(见图2)。这产生了一个非常鲁棒的解决方案,而且可以在许多不同的形状因子考虑因素下使用。

  

  

  

  图2:在4:1 VSWR时的谐波水平。

  灵活的收发器信号路由

  如前面所提到的,最新的TxM在设计中使用了pHEMT开关。在天线开关部分,使用pHEMT开关的优点源于可以把Rx端口设置成路由所要求的任何方式。pHEMT输入频率响应是宽带的,事实上,它允许把任何端口指定为高波段或低波段(见图3)。这使得可以独立于任何特定的收发器来单独使用GSM TxM。我们预测,这一点在ODM环境中特别有用,因为ODM通常会基于基带的选择保留2到3种不同的收发器配置,但对于PA,一般仅会从主要的批量供应商中选择一家。

  传送WCDMA信号的潜力

  对新兴的多模应用特别方便的一个特性是,TxM模块可以指定一个未使用的端口作为独立的WCDMA Tx/Rx信号的通过端口。在当今这个向多模应用转换的时刻,市场上经常产生对利用独立的WCDMA和GSM/GRPS射频链路的快速捆绑式解决方案的需要。在一个GSM/GPRS TxM中利用一个未用端口来进行开关控制的能力消除了对一个独立ASM和支持WCDMA射频链匹配元件的需要。这一方案既可节省成本,又可减小尺寸,而这两者对这个新兴市场来说都是非常重要的。

  RFMD公司已经在WCDMA频率和功率水平上测试和表征了这种pHEMT开关端口的线性度和互调功能。其结果表明,将Rx端口之一用作WCDMA通道是可行的。表征包括互调测量、插入损失、ACP降级、谐波生成和pHEMT开关产生的热量。 TxM模块的其它特性包括:易用性、内置8KV ESD保护电路、以及减少的外接元件数量。TxM模块可同时提供改进的性能和易用性,这两者在手机设计中常常不能同时得到满足。其中可在大多数商业TxM模块中发现的“易用”特性之一是设在天线端口的集成型ESD保护。它包含一个用来抑制由于modem元件损坏而产生的任何高压短时脉冲的板上感容电路。这是一个非常有用的功能,因为在Rx路径上的大多数SAW滤波器对ESD暂态电压的保护能力是非常令人怀疑的。此外,这些ESD滤波器完全符合IEC 61000-4-2的8KV接触放电要求。

  TxM模块除允许设计师实现更高水平的性能之外,它所需要的外接元件数量也减少了,这一点也是非常重要的。作为未来发展趋势的一部分,新一代的集成模块继续面临着减少实现射频解决方案所需要的外部元件数量的挑战。

  TxM模块也面临着同样的挑战,事实上,TxM模块特别将这些集成度需求作为其存在的一个基本前提。TxM模块不仅减少了外部元件的数量,而且还消除了对灵敏的内部元件匹配电路的需要。同相同功能的其它实现方案相比,TxM模块可以帮助设计师减小总的版图尺寸。典型的数字表明,与竞争性PA+ASM解决方案(典型的版图如下所示)相比,可以减少30%到50%的版图面积。

  缩短电话平台开发时间

  TxM模块是一种非常鲁棒的解决方案,这可直接归因于使用了内部匹配电路。其真正的好处是可以降低开发成本。此外,TxM解决方案将极大地缩短开发时间和上市时间。

  在一个应用中实现一个TxM主要是一个验证性能的问题,而不是设计和微调灵敏RF电路的问题,但对于传统的PA+ASM解决方案来说后者是一个主要问题。电话平台开发时间的减少对手机的快速上市能力有重大影响。为了在这个极具竞争性的手机市场上占有一定的地位,上市时间已经被视为衡量手机制造商能力的最高尺度。

  真正的“防窜改”解决方案

  当使用TxM来开发一个平台时,我们还可以清楚地看到因TxM模块的鲁棒性和性能一致性所带来的另外一个好处。由于TxM模块的集成度非常高,因此当移植到各种其它形状因子的平台时,因交换元件而造成性能下降的机会很小。很稳定的参考设计有时不得不在现场进行调整,有时这情况还很普遍,因为手机制造商有时会突然选用与最初打算不同的PA/ASM组合。

  制造商的动机通常很有道理,因为选用其它元件可能带来吸引人的成本节省和供货方面的好处。不足之处是常常需要付出更多的工程努力来修补一个本来已经获得FTA认证的系统。对参考设计供应商和PA供应商来说,支持这么多制造变量可能是困难的和昂贵的,因为它可能代表着你必须付出很多的隐性成本。因此,采用可防“窜改”的解决方案可以保持更多的利益,而TxM模块是实现这一目标的一个新兴的关键元件。

  本文结论

  作为全球最大的手机功率放大器供应商,RFMD公司将继续同客户一起优化PA+ASM组合解决方案,并开发出系统实现所需的所有细节。这个经验已经证明,在缩短开发时间、减小电路板版图面积和减少供应链管理需要的同时,即使与最好和最优的设计相比,TxM模块仍然代表更高的总体性能。

  此外,随着对多功能设备的需求不断增长,为了能够在相同的形状因子中容纳更多的功能,手机正在要求更小的射频解决方案。我们清楚地看到,要满足这些多功能设备的集成要求,TxM模块将变成不可缺少的基本器件。在理解了该器件所包含的所有这些好处之后,我们明确期望TxM模块能够成为我们在2005年发货量的一个重要部分,并希望在2006年对这类产品的需求会有大幅度提高。

  通过RF3178的批量发货,RFMD公司已经在发射模块市场上确立了我们的地位。该元件是我们的Polaris 2方案(一个基于EDGE的Polar调制方案)的一个关键元件。RF3178是作为我们的Polaris 2收发器的配套产品为实现Polar调制而设计的,具有尺寸小、整体性能高的特点。另外,RFMD公司很快将推出面向GSM/GPRS市场的派生产品RF7115。RF7115将以四波段和双波段两种款式供货,专门面向GSM和GPRS这两个大批量成熟市场。

  作者:Kevin Walsh、Ben Thomas、Hannes Rahn

  RF Micro Devices公司

  

关键字:发射模块  多模手机  TxM  形状因子  GMSK  谐波滤波器  电压驻波比  线性度

编辑:王婷婷 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/0401/article_306.html
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