用射频开关优化智能手机信号

2011-10-31 08:53:07来源: 互联网
智能手机代表了射频个人通信最前沿、也最具挑战性的射频产品设计之一。这些第三代(3G)蜂窝多模多频设备基于EDGE/GSM(2.5G)标准时可能工作在3个或4个频段,基于3G WCDMA/HSPA标准时的工作频段也可能多达3至4个。随着智能手机版本的演进和WCDMA与3GPP长期演进(LTE)标准的采纳,工作频段可能增加到10个或11个。在小型设备中支持如此多频段和工作模式的关键元件之一是射频(RF)开关,这种开关在智能手机的整个前端电路中有多种使用方式。

不管是通过蜂窝还是移动连接网络和外部设备,为了确保高数据速率的无线通信,典型的智能手机(图1)都集成有许多天线组件和多个无线数据流。放大、过滤和切换所要求的射频信号需要用到多种射频元件(图中用蓝色突出显示了射频开关部分)。

现代智能手机是一种复杂的设备,在手持式封装中充分融合了计算和通信技术。这些设备必须通过直观的操作界面提供各种与消费者和业务有关的功能。电磁(EM)场产生计算机电路与必定会接收到其它EM信号的无线电路非常靠近,这只是智能手持设备面临的设计挑战之一。智能手机的复杂性还延伸到了这些多射频发射器的RF模拟/混合信号领域。

图1:该模块图显示了典型的智能手机架构,除了多频段蜂窝电话外,还包含嵌入式蓝牙、GPS和调频收音机功能。(电子系统设计)
图1:该模块图显示了典型的智能手机架构,除了多频段蜂窝电话外,还包含嵌入式蓝牙、GPS和调频收音机功能。

观察这种新型手机内部的无线模块,可以发现多种无线电信号在很小物理体积内工作和共存所固有的复杂性。这种复杂的信号路由和射频开关要求对智能手机设计提出了极大的挑战。智能手机中的射频开关配置种类十分广泛,从相对简单的单刀双掷(SPDT)配置直到更为复杂的单刀十掷(SP10T)配置,有时掷的数量甚至更高。开发所有这些开关的源动力是丰富的无线电通信技术以及智能手机中的多种频率和多副天线。

在蜂窝通信系统中用到了多种射频开关元件(图2)。这些开关元件包括主天线发送/接收(T/R)开关,用于将主设备天线用于时分双工(TDD)收发器中的蜂窝发送和接收功能,例如用于提供全频段GSM服务的收发器。另外,频段模式开关主要用于将宽带CDMA信号从功放的输出引导至频率选择频段双工器。分集开关用于连接第二副或分集蜂窝天线。分集天线在数据卡应用中非常普遍,在智能手机应用中也越来越流行,特别是针对以数据为中心的系统(如LTE)。

图2:蜂窝手机中要求使用大量射频开关,分别用于天线切换、频段切换和分集切换。(电子系统设计)
图2:蜂窝手机中要求使用大量射频开关,分别用于天线切换、频段切换和分集切换。

主天线开关的主要功能是将空中射频无线电通信信号连接到通信调制解调器中的主要发送与接收功能模块。目前这种天线开关的实现有多种多样,从单刀七掷(SP7T)直到单刀十掷(SP10T)都有,具体取决于智能手机支持的射频频段数量。

主天线开关的任务是保持信号线性度,并提供发送与接收链之间的隔离,同时尽可能实现最小的插损。从以前仅传送语音的通信向无线数据通信的过渡促进了向更高阶调制方案的发展,比如正交频分复用(OFDM)调制以及紧密相关的正交频分多址(OFDMA)调制。这些复杂的调制方案产生的波形幅度变化范围非常大,因此信号具有很高的峰均比(PAPR),进而对处理它们的元件提出了更大动态范围的要求,同时要求射频开关具有杰出的线性度,以便最大限度地降低射频信号路径中的失真

为了在信号功率电平越来越高时仍能保持好的线性度,大多数天线开关采用越来越复杂的设计拓扑来满足这些更加严格的线性要求。例如,在天线开关模块中经常集成有电荷泵,用于提升电池电压以控制构成开关的场效应晶体管(FET)。这种方案通常是一种合理的折衷,因为它减少了对更大FET的需求,改善了开关插损和隔离性能,增强了开关压缩点的鲁棒性。开关压缩点定义为增益被压缩0.1dB或1dB的输出功率点(P0.1dB或P1dB)。


根据系统分割方法,开关可能包含GSM发送谐波频率滤波功能。这种配置通常被称为天线开关模块(ASM)。一些改进的开关可能还包含声表面波(SAW)滤波器,组成微型模块封装中完整的开关/接收滤波器。不管是ASM或没有GSM滤波器的开关,还是完整的发送/接收开关和SAW模块,主通道开关总是包含紧凑模块中的主开关和控制逻辑功能。

用于智能手机应用的高掷数开关通常采用GaAs伪晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)工艺制造,不过这些产品也可能使用标准硅CMOS和绝缘硅(SOI)技术开发。每种方法都有优缺点,而选择通常取决于最终用户的要求。

Skyworks Solutions公司最近开发出多款高掷数的开关,其中包括用于多频段操作的单刀十掷开关。举例来说,型号为SKY13362-389-LF的单刀十掷(SP10T)开关支持多达5个3G蜂窝通信频段。这种开关由4个CMOS/TTL兼容的控制电压所控制,集成了CMOS解码器和GSM发送滤波器,可在单个+2.5V至+3.0VDC电源下工作,工作频率范围从0.4GHz至2.2GHz。从天线端口到收发器端口的典型插损值为0.5dB,天线端口到任一GSM发送端口的插损是1.1dB,天线到接收端口的插损也是1.1dB。隔离度至少17dB,最高32dB(取决于测量的是哪两个端口)。这种开关具有5μs的切换速度,在UMTS模式下测试时的输入3阶截取点为+61dBm或更高,开关采用3.0x3.8mm扁平无引线(QFN)封装供货。

Skyworks Solutions公司推出的型号为SKY14152的前端模块包含有集成式绝缘硅开关和控制器、GSM发送滤波器和单频段差分SAW接收滤波器。其中的开关是一种单刀八掷(SP8T)元件,工作频率范围从0.4GHz至2.17GHz。在开关的发送接收端口可以承受至少+27dBm的功率,典型的插损在0.7dB以下。任何两个端口之间的隔离度至少有30dB。SKY14152模块针对数据卡应用作了优化,采用20引脚、3.2x3.2mm多芯片模块(MCM)封装供货。

在一些手持式应用中,允许直接连接手机电池(具有正确的电源电压范围)的产品是很有用的。未来设计也可能从基于GPIO的控制接口转为工业标准可编程接口中,以适应高掷数的天线开关模块应用。

随着3G多模和多频架构的普及,对频段/模式开关的需求越来越多。高线性的频段和/或模式开关可以在宽带码分多址(WCDMA)信号通过天线开关模块发送出去之前,将该信号从功率放大器(PA)输出端切换入合适的频率双工器。对频段或模式开关的要求取决于所选择的功放架构。在单模架构场合,由于GSM发送通道和线性宽带CDMA通道是分开的,因此只要求频段开关能够将WCDMA信号从功放输出端传递到双工器。在多模、多频信号路径架构场合,由于GSM和WCDMA信号通过同一功放发送,模式开关必须能够处理更大功率的饱和GSM调制信号。两种功放架构一般都有一条高频段和一条低频段放大器链。在单模架构中,开关只需用来选择多个宽带CDMA双工器中的一个。

根据需要支持的宽带CDMA频段数量,频段或模式开关通常是单刀双掷(SPDT)或单刀三掷(SP3T)配置。然而,在空间十分宝贵的设计中,这个功能可以合并为双刀四掷(DP4T)开关或双刀五掷(DP5T)开关,这样的配置可以处理多达5个频段。对这些开关的要求取决于开关必须处理的射频信号电平。目标是提供足够的线性度,不给系统增加由开关引起的信号失真。

频段开关可同时用于前置功放和后置功放,因为在多频段平台中频段会增加或合并。选择pHEMT还是绝缘硅技术通常由实际控制电压的大小决定。当控制电压为2.8V或以上时,pHEMT技术是一个很好的选择。当射频子系统使用较低电压的逻辑信号(如1.8V)时,绝缘硅技术更加合适。与高掷数的开关不同,低掷数的GaAs器件由于尺寸受限,通常不会采用电荷泵电路。

Skyworks Solutions公司提供的频段/模式开关产品包括适合低逻辑电平(1.8V控制逻辑)的绝缘硅器件和GaAs pHEMT器件。绝缘硅开关器件包括SPDT型号SKY13330-397LF、SP3T型号SKY13345-368LF和双刀四掷(DP4T)型号SKY14155-368LF等。GaAs pHEMT集成电路(IC)包括型号为SKY13351-378LF、SKY13320-374LF和SKY13321-360LF的SPDT开关、型号为SKY13309-370LF和SKY13317-373LF的SP3T开关以及型号为SKY14151-350LF的SP4T开关。

在新兴的无线手机和数据卡应用中,经常会使用第二个或分集接收天线以及相关的接收机信号链。分集接收技术用于提高数据速率,特别是在数据吞吐量最关键的场合。基于成本和功耗的考虑,实用的分集技术只应用于终端设备中的接收侧,不包括发送信号路径。根据所需支持的宽带CDMA频段数量,在分集天线处需要使用一个合适的开关。在大多数情况下,要求使用SP3T、SP4T或单刀五掷(SP5T)开关。与主要路径天线使用的开关相比,这些射频开关的承受功率要求要低一些,因为这些开关不需要通过很高功率的发送机信号。

Skyworks公司针对分集应用设计了多款产品,SKY13322-375LF SP4T开关、SKY14153-368LF SP4T开关、SKY13345-368LF SP4T开关和SKY14151-350LF SP4T开关就是适合分集应用的一些最流行器件。将来的产品中还将包括SP5T开关SKY13358-388LF。举例来说,型号为SKY13322-375LF的GaAs FET SP4T开关可以工作在0.1GHz至6.0GHz频率范围,1GHz时的典型插损值为0.45dB,1GHz时的典型隔离度为28dB。这种开关的1dB压缩点(P1dB)为+30dBm,采用10引脚的微型引线框双路封装(MLPD),尺寸为2x3mm。型号为SKY14151-350LF SP4T的分集开关可以工作在0.1GHz至2.5GHz频率范围,1GHz时的隔离度为29dB,1GHz时的插损典型值为0.4dB。这款开关还集成了解码器,仅使用两根TTL兼容的直流控制线来控制4个开关端口。该开关可以处理功率达+34.5dBm的900MHz射频和功率达+31.5dBm的1.8GHz射频信号。这是一种对称型开关,专门针对GSM/WCDMA/EDGE作了优化,可以在+2.5至+3.0VDC的单电源下工作,并采用3x3mm QFN封装供货。

此外,4G标准对用于多入多出(MIMO)操作的第二副天线组件作了规定。在较简单的实现中,MIMO可以通过选择更强的接收信号或合并两个独立天线端接收到的信号提高总的接收信号强度,从而促进数据速率的提高。在较为复杂的实现中,MIMO可以用来在基站和手机之间同时传送两个(或多个)独立数据流。第4代蜂窝标准LTE的推出将驱动更多的分集路径配置,因为智能手机扩大了便携式设备的数据吞吐能力。

在移动连接方面,开关对于信号路由和将不同无线信号连接到天线来说至关重要。智能手机中的蓝牙无线电、Wi-Fi连接和移动电视接收功能都要求额外的开关功能。近年来,智能手机类设备中移动连接的附加速率(更多功能以此速率添加到手机中)显著提高。蓝牙和调频收音机的附加率大于50%,全球定位系统(GPS)和Wi-Fi的附加率接近20%。在单个芯片中整合了多种通用移动连接技术(蓝牙、Wi-Fi和调频收音机)的芯片组的推出进一步推动了这些附加功能的流行和普及。

移动无线连接选件一般有两种实现方式:使用分立元件和芯片组进行设计,或通过第三方模块制造商提供。不管实现细节如何,在智能手机的移动连接侧存在射频开关的多种应用。

图3:该图显示了面向智能手机的一些移动连接应用。(电子系统设计)
图3:该图显示了面向智能手机的一些移动连接应用。

在嵌入式WiFi应用场合,手机制造商的频段范围将决定射频开关的要求。如果限于2.4GHz频段内工作,一般要求使用SPDT或SP3T的开关器件,具体取决于蓝牙信号是否存在。开关接口在某种程度上取决于WiFi解决方案的芯片组制造商。向开关提供2.8V稳压输出的芯片组通常适合使用pHEMT器件。越来越多的新款WiFi芯片组专门针对便携式应用(使用1.8V范围的低电平逻辑电压)作了优化。在只使用1.8V的情况下,绝缘硅开关也许是更好的选择,可以避免pHEMT器件在工作电压低于2.7V时可能发生的性能劣化。

在选用GaAs pHEMT器件时,Skyworks公司有丰富的产品组合适合这类应用。选用建议包括SKY13323-378LF SPDT和SKY13351-378LF SDPT(适合5.8GHz频段)开关、SKY13317-373LF SP3T开关(适合5.8GHz频段)。如果要求更低的工作电压,可以使用型号为SKY13330-397LF和SKY13345-368LF的绝缘硅器件。

SKY13323-378LF SPDT开关是一种pHEMT GaAs FET器件,能够工作在0.3GHz至3.0GHz的频率范围,在3GHz时的典型插损为0.35dB,典型隔离度为27dB。这种器件采用6引脚、1x1mm的MLPD封装供货。SKY13351-378LF SPDT开关的工作频率范围是2GHz至6GHz,在2.45GHz时的插损为0.35dB,隔离为24dB。该器件同样采用1x1mm的MLPD封装供货。这种器件可以实现40ns的上升/下降时间,在2.45GHz时的输入三阶截取点(IP3)为+32dBm。SKY13317-373LF SP3T开关可以用来控制频率从0.1GHz至6.0GHz的信号,在2.5GHz时的插损为0.5dB,在6GHz时的插损为0.9dB,在6GHz时的隔离度为25dB。这种开关采用1.5x1.5mm MLP封装供货,1dB压缩点电平为+27dBm,非常适合高线性度应用。

随着WiMAX网络的推出,更多的设备可工作在WiMAX和蜂窝网络上。WiMAX设备通常比相应的WiFi网络设备发送更高的输出功率,因此要求使用更高线性度的开关来避免信号失真。适合WiMAX使用的Skyworks器件包括SKY13370-374LF、SKY13299-321LF和SKY13348-374LF。

电池技术、显示屏、处理能力/速率方面的改进使得消费者在目前的智能手机移动平台上享受更加丰富的体验成为可能。能够充分利用新一代器件的新应用层出不穷,而流式视频和视频集锦成为这些应用的突出特色。手持设备中,广播电视接收面临的一大挑战是工作在极低频率下天线的物理尺寸。移动电视和调频收音机芯片组一般覆盖数十MHz至800MHz的频率范围。鉴于天线物理尺寸与接收信号波长之间的传统关系,具有调频收音机或电视接收功能的手机需要依赖某些类型的射频调谐功能,以便利用紧凑的嵌入式天线接收这些相对低频率的信号。通过切入阻抗调整和阻抗匹配电路与组件,射频开关可以用来调整嵌入式天线的电气长度,使得采用这些嵌入式天线的手机能够满足消费者对合理器件尺寸下取得良好性能的期望。

调频收音机是普及率最高的无线连接技术之一,如今已经从仅具备接收功能发展为包含调频发送功能的设备。车载和家用MP3/调频收音机直通设备的爆炸式增长对调频发送功能提出了更多的要求。一般情况下,SPDT开关用于选择调频接收和调频发送功能。SKY13322-375LF(SP4T)和SKY13309-370LF(SP3T)开关设计用于满足移动电视应用的要求。SKY13323-378LF是调频发送和接收应用的理想之选。

现代智能手机有效集成了通信和计算功能,是一种复杂的技术创新,可简化针对消费者和商业企业等的许多不同应用。为了向消费者随时提供无误码的高数据速率通信,现代手机需要采用多种频段和配置,从而对高线性度和低信号失真提出了更高的要求。复杂架构要求对射频信号进行路径选择,这正是多刀多掷射频开关越来越普及的关键驱动力。

关键字:射频开关  隔离度  插损  FET  pHEMT

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2011/1031/article_8271.html
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