SWaP-Optimierung in leistungsstarken HF-Signalketten

Die Nachfrage nach leistungsstarken drahtlosen Netzwerklösungen nimmt in immer mehr Anwendungsbereichen zu, von Smartphones über Laptops, Tablets, Wearables, Drohnen, Zugangspunkten bis hin zu Geräten für das Smart Home und das Internet der Dinge (IoT). Für die Entwickler dieser Geräte ist das Benutzererlebnis ein entscheidendes Unterscheidungsmerkmal, das zu einem großen Teil von der Qualität, dem Durchsatz und der Zuverlässigkeit des Funksignals sowie der Akkulaufzeit abhängt. Größe und Gewicht der Geräte sind ebenfalls wichtige Unterscheidungsmerkmale, insbesondere bei Wearables. Die Optimierung dieser Parameter erfordert eine genaue Betrachtung aller Aspekte der Hochfrequenz(HF)-Signalkette, was sowohl für Experten als auch für HF-Neulinge eine große Herausforderung darstellen kann.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über verschiedene Teile der HF-Signalkette und beschreibt, wie Antennentuner, HF-Kreuzschalter, Antennendiversitätsschalter, rauscharme Verstärker (LNAs) und rauscharme HF-Transistoren zu leistungsstarken Lösungen beitragen, und befasst sich mit Steuerschnittstellenoptionen. Anschließend werden beispielhafte Komponenten von Infineon vorgestellt und gezeigt, wie sie leistungsstarke HF-Designs unterstützen und gleichzeitig die immer anspruchsvolleren Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) erfüllen. Abschließend werden zwei Optionen für kleine, leitungslose Gehäuse (TSNP) für kompakte HF-Lösungen verglichen.

Die unverzichtbare Antenne

Die Leistung von Antennen ist bei den heutigen vernetzten Geräten entscheidend. Durch die Abstimmung kann eine einzige Antenne gute Leistungen in mehreren Frequenzbändern erbringen und zu einer kompakteren und effizienteren Lösung beitragen. Entwickler können Schalter im Antennentunerteil der HF-Signalkette verwenden, um die Leistungsübertragung zur Antenne zu maximieren und die Leistung entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu optimieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Antennenabstimmungsschalter werden im Tunerteil zur Optimierung der Antennenleistung eingesetzt. (Bildquelle: Infineon)

HF-Kreuzschalter

Bei vielen Anwendungen ist die Antennenabstimmung eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für eine optimale Leistung. In diesen Fällen kann mehr als eine Antenne erforderlich sein. Ein HF-Kreuzschalter kann der Signalkette hinzugefügt werden, um die Auswahl der Antenne zu ermöglichen, die in einer bestimmten Situation die beste Leistung bietet, indem die Sendeleistung oder die Empfängerempfindlichkeit erhöht wird (Abbildung 2). HF-Kreuzschalter müssen effizient und schnell schalten, um einen sinnvollen Antennenwechsel zu ermöglichen, und sie müssen eine hohe Isolierung und geringe Einfügungsdämpfung aufweisen sowie geringe Oberwellen erzeugen, um einen effizienten und zuverlässigen Systembetrieb zu ermöglichen.

Abbildung 2: Die Verwendung eines HF-Kreuzschalters ermöglicht die Auswahl der leistungsstärksten Antenne für Uplinks oder Downlinks. (Bildquelle: Infineon)

Diversitätsschalter und rauscharmer Verstärker

Manchmal reicht der Wechsel zur besten Antenne nicht aus, um die erforderliche Bandbreite zu erreichen. In diesem Fall wird ein zusätzlicher Kanal, der so genannte Diversitätspfad, zur HF-Signalkette hinzugefügt. Die Antennendiversität verbessert die Qualität und Zuverlässigkeit von Übertragung und Empfang. Diversitätsschalter werden in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt, von WiFi-Netzwerkgeräten bis hin zu Smartphones und Tablet-Computern. Diese Schalter können verwendet werden, um Mehrwegstörungen beim Signalempfang zu kompensieren. Der Empfänger überwacht die eingehenden Signale und schaltet zwischen den Antennen auf der Grundlage der relativen Signalstärken um. Wie bei HF-Kreuzschaltern müssen Diversitätsschalter eine hohe Isolierung und geringe Einfügungsverluste aufweisen und wenig Oberwellen erzeugen.

LNAs sind ein weiterer wichtiger Bestandteil der HF-Signalkette (Abbildung 3). Wie die verschiedenen Ansätze zum Antennenmanagement kann auch der Einsatz von LNAs die Empfangsqualität verbessern und die Datenraten erhöhen. LNAs sind mit einer festen Verstärkung oder mit mehreren Verstärkungsstufen erhältlich, die zur Feinabstimmung der Leistung verwendet werden können. LNAs, die auf monolithisch integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC) basieren, werden traditionell mit Galliumarsenid(GaAs)-Technologie hergestellt. Kürzlich entwickelte SiGe-LNA-MMICs (SiGe: Silizium-Germanium) können die benötigten Frequenzen zu niedrigeren Kosten unterstützen. LNAs sind sehr kompakte Komponenten, die sich leicht in sehr kleine Gehäuse integrieren lassen. Darüber hinaus sind LNA-MMICs mit integriertem Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) erhältlich und eignen sich aufgrund ihres geringen Stromverbrauchs gut für mobile Geräte und Wearables, bei denen SWaP ein wichtiger Faktor ist.

Abbildung 3: Der Einsatz von Diversitätsschaltern und LNAs kann zur Verbesserung der Empfangsqualität und zur Erhöhung der Datenraten beitragen. (Bildquelle: Infineon)

Steuerschnittstellen

Antennenabstimmungsschalter, Kreuzschalter und Diversitätsschalter benötigen in der Regel eine Schnittstelle zur Systemsteuerung. Bei einfachen Implementierungen wird häufig eine GPIO-Schnittstelle (General Purpose Input/Output) verwendet. Ein GPIO ist ein nicht festgeschriebener, softwaregesteuerter Signalpin auf einem IC, der so programmiert werden kann, dass er je nach Bedarf als Eingang oder Ausgang oder beides fungiert.

Für komplexere Steuerungsanforderungen wird im Allgemeinen die MIPI-Norm (Mobile Industry Processor Interface) verwendet. Die MIPI-RFFE-Steuerschnittstelle (RFFE: RF Front-End) wurde für den Einsatz in leistungsstarken HF-Signalketten optimiert und bietet schnelle, halbautomatische und umfangreiche Steuerungsfunktionen. Die MIPI-RFFE kann bis zu 19 Geräte pro Bus umfassen (bis zu vier Leader-Geräte und 15 Follower-Geräte). Sie ist für den Einsatz mit LNAs, Antennentunern, Schaltern, Leistungsverstärkern und Filtern konzipiert. MIPI-RFFE kann das Design, die Konfiguration und die Integration von HF-Signalketten erleichtern und unterstützt die Verwendung von Komponenten verschiedener Anbieter.

MIPI-steuerbarer LNA

Für leistungsfähige HF-Signalketten können Entwickler den LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 von Infineon einsetzen. Die MIPI-Schnittstelle kann die acht Verstärkungsmodi und die 11 Vorspannungsmodi steuern, um die Systemdynamik durch aktive Anpassung an sich ändernde Bedingungen in der HF-Umgebung zu erhöhen (Abbildung 4). Er ist für den Einsatz in den 3GPP-Bändern zwischen 1,4 und 2,7 Gigahertz (GHz) vorgesehen (hauptsächlich für die Bänder B1, B3, n41 und B21). Er kann eine Rauschzahl von 0,6 Dezibel (dB) und eine Verstärkung von bis zu 20,2 dB bei einem Strom von 5,8 Milliampere (mA) liefern. Er arbeitet mit Versorgungsspannungen von 1,1 bis 2,0 Volt und ist für industrielle Anwendungen auf der Grundlage von JEDEC47/20/22 qualifiziert.

Abbildung 4: Die MIPI-Schnittstelle dieses LNA kann acht Verstärkungsbetriebsarten und 11 Vorspannungsmodi zur Leistungsoptimierung steuern. (Bildquelle: Infineon)

Er verfügt über mehrere Funktionen, die dazu beitragen, die anspruchsvollen SWaP-Anforderungen zu erfüllen, darunter:

• Größe: Der neunpolige TSNP-9 misst nur 1,1 × 1,1 Millimeter (mm) und eignet sich mit einer Höhe von 0,375 mm gut für Anwendungen mit geringem Platzangebot.
• Gewicht: Das TSNP-9-Paket wurde für den Einsatz in Bereichen optimiert, in denen ein geringes Gewicht erforderlich ist.
• Stromverbrauch: Der LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 nutzt einen Bypass-Strom von nur 2 Mikroampere (µA), was die Batterielaufzeit verlängert.

Antennendiversitätsschalter

Der Breitband-Diversitätsschalter BGS12WN6E6327XTSA1 (ein einpoliger Wechselschalter (SPDT)) von Infineon hat eine typische Schaltgeschwindigkeit von 160 Nanosekunden (ns) sowie eine integrierte Steuerlogik (Decoder) und ESD-Schutz (Abbildung 5). Für den Einsatz in Wi-Fi-, Bluetooth- und Ultrabreitband-HF-Signalketten konzipiert, kann jeder der beiden Anschlüsse mit einer Diversitätsantenne verbunden werden und bis zu 26 dB, bezogen auf 1 Milliwatt (dBm), verarbeiten. Er wird mit MOS-Technologie hergestellt und bietet die Leistung eines GaAs-Bauelements, macht jedoch externe Gleichstromsperrkondensatoren an den HF-Anschlüssen überflüssig, sofern keine externe Gleichspannung anliegt.

Der Chip enthält CMOS-Logik, die von einem einzigen CMOS- oder TTL-kompatiblen Steuersignal gesteuert wird. Er zeichnet sich durch eine hohe Port-zu-Port-Isolation und geringe Einfügedämpfung bis zu 9 GHz aus. Um Größe und Gewicht zu reduzieren, wird der Baustein in einem PG-TSNP-6-10-Gehäuse mit den Abmessungen 0,7 × 1,1 mm und einer maximalen Höhe von 0,375 mm geliefert. Er kann mit Versorgungsspannungen von bis zu 4,2 Volt bei einem typischen Versorgungsstrom von 36 µA und einem Steuerstrom von 2 Nanoampere (nA) betrieben werden, was die Betriebszeit in batteriebetriebenen Geräten maximiert.

Abbildung 5: Der SPDT-Diversitätsschalter BGS12WN6E6327XTSA1 kann in 160 ns schalten und verfügt über eine integrierte Steuerlogik und ESD-Schutz. (Bildquelle: Infineon)

HF-Kreuzschalter

Der HF-CMOS-Kreuzschalter BGSX22G6U10E6327XTSA1 von Infineon ist speziell für GSM-, WCDMA-, LTE- und 5G-Anwendungen konzipiert. Dieser zweipolige Umschalter (DPDT) zeichnet sich durch eine niedrige Einfügedämpfung bei Frequenzen bis zu 7,125 GHz, eine geringe Erzeugung von Oberwellen und eine hohe Isolierung zwischen seinen HF-Anschlüssen aus. Seine Schaltzeit von 1,3 Mikrosekunden (µs) ermöglicht die Unterstützung von 5G-SRS-Anwendungen (SRS: Sounding-Reference-Signal). Er verfügt über eine GPIO-Steuerschnittstelle und arbeitet mit Versorgungsspannungen von 1,6 bis 3,6 Volt. Das PG-ULGA-10-Gehäuse misst 1,1 × 1,5 mm, ist 0,60 mm dick und wurde für Anwendungen mit Platz- und Gewichtsbeschränkungen optimiert. Dieser stromsparende Baustein hat einen typischen Versorgungsstrom von 25 µA und einen Steuerstrom von 2 nA.

Antennenabstimmungsschalter

Für Designs, die einen SP4T-Antennenabstimmschalter (Single-Pole Four-Throw) benötigen, der für Anwendungen bis 7,125 GHz optimiert ist, eignet sich der BGSA14M2N10E6327XTSA1 von Infineon. Die vier Ports mit 0,85 Ohm (Ω) Durchlasswiderstand sind für den Einsatz in Anwendungen mit hohem Q-Tuning konzipiert. Die digitale Steuerschnittstelle MIPI-RFEE vereinfacht die Implementierung in HF-Signalketten. Mit einer Spitzenspannung von 45 Volt und einer geringen Kapazität von 160 Femtofarad (fF) im AUS-Zustand eignet er sich gut zum Schalten von Induktivitäten und Kondensatoren in HF-Antennenanpassungsschaltungen ohne nennenswerte Verluste (Abbildung 6). Das 1,3 × 0,95 mm große und 0,375 mm hohe TSNP-10-9-Gehäuse in Verbindung mit einem Stromverbrauch von 22 µA macht dieses Bauteil geeignet für anspruchsvolle SWaP-Anwendungen.

Abbildung 6: Der BGSA14M2N10E6327XTSA1 kann Induktivitäten und Kondensatoren in HF-Antennenanpassungsschaltungen effizient schalten. (Bildquelle: Infineon)

HF-Transistoren

Eine leistungsstarke HF-Signalkette beginnt mit dem Transceiver und dem HF-Verstärkerteil. Dies erfordert HF-Leistungstransistoren wie den breitbandigen NPN-Heterojunction-Bipolartransistor (HBT) BFP760H6327XTSA1 von Infineon, der sich durch seine Eigenschaften auszeichnet:

• Niedrige minimale Rauschzahl (NF_min) von 0,95 dB bei 5,5 GHz, 3 Volt, 10 mA
• Hohe maximale Leistungsverstärkung (G_ms) von 16,5 dB bei 5,5 GHz, 3 Volt, 30 mA
• Hohe Linearität mit einem Interceptpunkt 3. Ordnung am Ausgang (OIP₃) von 27 dBm bei 5,5 GHz, 3 Volt, 30 mA

Dieser Leistungstransistor ist für industrielle Anwendungen geeignet. Er ist für den Einsatz in drahtlosen und satellitengestützten Kommunikationssystemen, GPS-Navigationsgeräten, mobilen Multimediageräten und anderen Hochleistungs-HF-Anwendungen konzipiert.

TSNP-Gehäuseoptionen

Die geringe Größe von TSNP-Gehäusen erfordert stabile Geometrietoleranzen auf der Leiterplatte, und es sollte ein NSMD-Pad-Design (Non-Solder Mask Defined) verwendet werden. Die Padtoleranzen für NSMD sind im Vergleich zum Lötstopplack geringer. Bei NSMD sollten die Leiterbahnen auf der Leiterplatte 100 Mikrometer (µm) oder weniger betragen. Typischerweise werden Leiterplattenpads für Bottom-Only-TSNP, wie sie vom BGA9H1MN9E6329XTSA1-LNA, dem BGS12WN6E6327XTSA1-Antennendiversitätsschalter und dem oben beschriebenen Antennenabstimmschalter BGSA14M2N10E6327XTSA1 verwendet werden, durch Übertragung des Gehäuseumrisses und Hinzufügen von 25 µm an den Seiten der Pads entworfen.

Designer müssen sich darüber im Klaren sein, dass es mehr als eine Art von TSNP-Pad gibt. Es gibt das Standard-Pad und es gibt Pads, die für die optische Lead-Tip-Inspektion (LTI) entwickelt wurden (Abbildung 7). LTI-Bauteile benötigen eine größere Montagefläche, da das Leiterplattenpad mindestens 400 μm über den Gehäuseumriss hinausragen muss (Abbildung 7). Der LTI-Entwurf unterstützt zwar die optische Inspektion, ist aber möglicherweise nicht für SWaP-kritische Entwürfe geeignet, die die kleinstmögliche Lösungsgröße erfordern.

Abbildung 7: Es sind TSNP-Gehäuse erhältlich, die Standardpads (links) oder größere, für optische LTI optimierte Pads (rechts) verwenden. (Bildquelle: Infineon)

Fazit

SWaP-Überlegungen sind wichtig bei der Spezifikation von Antennentunern, HF-Kreuzschaltern, Antennendiversitätsschaltern, LNAs und rauscharmen HF-Transistoren in einer Reihe von Wireless-Geräten. Wie gezeigt, bietet Infineon Entwicklern eine Reihe von Bausteinen für den Einsatz in hochleistungsfähigen HF-Signalkettenanwendungen, die auch anspruchsvolle SWaP-Anforderungen erfüllen können. Mit diesen Komponenten können Entwickler die Zuverlässigkeit und Bandbreite der HF-Signalkette optimieren und die Batterielebensdauer verlängern.

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1. Verwendung hochpräziser digitaler Temperatursensoren in Wearables zur Gesundheitsüberwachung
2. Überblick über die drahtlosen Funktechnologien für das IoT