Je kleiner desto besser: Miniaturisierung von HF-Komponenten – Teil 2

Dieser Artikel, der zweite Teile einer zweiteiligen Reihe, befasst sich mit der Miniaturisierung von einigen wichtigen aktiven Komponenten und Systemelementen, mit denen Designer die nächste Generation kabelloser Kommunikationssysteme für noch kleinere und effizientere Funklösungen und Funkteilsysteme entwickeln können. Wir werfen einen Blick auf kleine aktive Komponenten wie HF-Transistoren, -Mischer, -Modulatoren und -Verstärker und sprechen über Bauteile in Chip-Form, die für System-on-Chip- (SOC-) und Multichip-Modul- (MCM-) Prototypen sowie für erste Produktionsläufe hilfreich sind.

Im ersten Teil werden die neuesten kleinen passiven Komponenten beschrieben, die mehrere einzelne Bausteine in kleinere SMD-Versionen integrieren. Diese Versionen sparen Platz, Kosten und verbessern die Leistung. Sie sind weit verbreitet und kommen in modernen Standard-Funk-Transceiver-Chips zum Einsatz, deren Designs sich häufig bereits in der dritten oder vierten Generation befinden. Viele davon können auch für Funkdesigns der nächsten Generation sowie für benutzerdefinierte Designs verwendet werden.

Aktive Einzelbausteine (oder Funktionsblöcke) eignen sich für Funklösungen der nächsten Generation für Personal Area Networks (PANs) und für am Körper tragbare Computer. Obwohl sie nicht über eine identische funktionale Dichte verfügen, können die flexiblen Bausteine verwendet werden, um den Trend hin zu höherfrequenten Systemen mit kürzeren Wellenlängen fortzuführen. Sie ermöglichen eine weitere Verkleinerung und arbeiten mit geringeren Leistungspegeln, da das HF-Feld eines PAN in Bezug auf sein Volumen so beschränkt ist.

Innovatoren, die lieber vorangehen statt Anderen zu folgen, werden unter Verwendung der aktuell verfügbaren Bausteine eigene Funksysteme der nächsten Generation entwickeln und bauen. Einige dieser aktiven Bausteine sollen in diesem Artikel näher betrachtet werden. Alle in diesem Artikel erwähnten Komponenten, Datenblätter, Referenzdesigns und Entwicklungs-Kits sind auf der Website von DigiKey verfügbar.

Zurück zu Quadrat 1 – schon wieder

Bei der Entwicklung von Funklösungen der nächsten Generation werden üblicherweise zwei Prototypstufen benötigt. Die für die Funktionsentwicklung zuständige Gruppe benötigt Zugriff auf die integrierten Funktionsblöcke, um zwischen den verschiedenen Entwicklungsstufen Messungen und Optimierungen durchzuführen. Werte können auf diese Weise getestet und feineingestellt werden, um stufenweise die Energieübertragung zu optimieren und die Signalintegrität aufrecht zu erhalten.

Obwohl manche fortschrittlichen Hersteller von Funk-Transceiver-Chips MCM-Produkte herstellen werden, können mit monolithischen Bausteinen am schnellsten Gewinne erzielt werden. Da es sich hierbei bereits um Bausteine der zweiten oder dritten Generation handelt, ist die verkleinerte monolithische Form im Allgemeinen sehr viel kostengünstiger und häufig auch kleiner und leistungsfähiger. Zurückzuführen ist dies darauf, dass auf die Erfahrungen mit den Vorgängerversionen zurückgegriffen werden kann. 

Bei dieser Umwandlung in die monolithische Form handelt es sich jedoch im Endeffekt um ein neuartiges Design. Die Leiterbahnen auf Leiterplatten sind üblicherweise durch engere Impedanz- und Übertragungsleitungswerte charakterisiert. Bei einem Multichip-Modul bzw. einem anwendungsspezifischen Siliziumchip müssen alle Werte anhand der neuen Werkstoffe und Größen reproduziert werden. Somit handelt es sich aus physikalischer Sicht letztendlich um ein neues Design.

Hier können HF-Schalter von großer Bedeutung sein, wenn es um die Prototyperstellung für Funklösungen der nächsten Generation geht. Über den geschalteten Zugriff auf interne Knoten können die Designer den Signalweg festlegen, Messungen durchführen oder die Einstellungen für die Stufe vornehmen. Beachten Sie jedoch, dass die Schalter ebenfalls eingestellt werden müssen Es kann sein, dass herkömmliche Kontaktschalter mit Funkfrequenzen nicht funktionieren. Die hochfrequenten Signale verwenden Kontaktabstände (und sogar Dielektrikumsabstände) als Durchführungskondensatoren. Aus diesem Grund werden spezielle HF-Schalter (und Steckverbinder) benötigt.

Diverse kleine HF-Schalter – monolithisch integriert oder in Chip-Form – sind sofort verfügbar und können sowohl für den internen Zugriff auf die Prototypstufen als auch für Designs mit mehreren Antennen und gemeinsamen Signalwegen verwendet werden. Diese Schalter weisen häufig Frequenzbeschränkungen nach unten und oben auf sowie eine Einfügedämpfung und spektrale Bereiche mit isolierten Frequenzen. Beachten Sie bitte, dass für mehr Flexibilität beim Signalweg verschiedene Topologien erhältlich sind. Dies gilt insbesondere für Lösungen, bei denen für mehrere Frequenzen, Bandbreiten und Protokolle eine einzelne Antenne verwendet wird. Ein Multiplexer beispielsweise benötigt weniger Signalspuren als diskrete Schalter.

Betrachten wir den reflektiven HF-Schalter Peregrine 4259-63 in einem kompakten (SC70-6) Gehäuse. Bei diesem Schalter mit 50 Ohm von 10 MHz bis 3 GHz handelt es sich um einen SPDT HF-Universalschalter mit einer Einfügedämpfung von nur 0,5 dB. Ein nettes Ausstattungsmerkmal ist die wählbare einpolige bzw. zweipolige Steuerung, wodurch präzise Unterbrechungen möglich sind.

Dieser Schalter stammt aus der UltraCMOS-Baureihe des Herstellers, für die Saphirsubstrate verwendet werden. Dadurch wird eine mit teureren Slizium-Germanium- oder Gallium-Arsenid-Technologien vergleichbare Leistung erzielt und dabei eine höhere Belastbarkeit und ESD-Verträglichkeit geboten. Zu dieser Baureihe gehören HF-Schalter, -Mischer und -Dämpfer.

Absorptionsschalter können ebenso verwendet werden für sich gegenseitig ausschließende und lastausgleichende Schaltvorgänge. So bietet etwa der SPDT RF3025TR7 mit 50 Ohm von RF Micro Devices einen großen Frequenzbereich von 10 MHz bis 6 GHz bei einer sehr geringen Einfügedämpfung von 1,1 dB (Abbildung 1). Bei Frequenzen unter 1 GHz kann dieser Wert bis auf 0,5 dB zurückgehen, wodurch beispielsweise ein eindeutiger Weg für einen UHF-Empfänger entsteht, der dieselbe Antenne verwendet.

Abbildung 1: Absorptionsschalter können voll belegt oder belastet und nicht verschaltet sein und dazu beitragen, konstante Impedanzen über den Signalweg aufrecht zu erhalten.

Abhängig von den gewünschten Frequenzen kann die Bandbreitenwahl bis zu einem Betrieb mit 86 MHz gehen. Für MCM- und SoC-Lösungen kann ein SPDT HF-Schalter in Chip-Form von Hittite (jetzt Bestandteil von Analog Devices) genügen. Der HMC-SDD112 bietet eine Isolationsfrequenz von 30 dB bei 86 MHz und eine relativ geringe Einfügedämpfung von 2 dB. Obwohl er derzeit hauptsächlich in der modernen Radartechnik zum Einsatz kommt, werden mit der zunehmenden Einrichtung hochfrequenter Verbindungen mit höheren Datenraten in naher Zukunft zusätzliche Bauteile für andere Anwendungen erhältlich sein.

Die Mischung machts

HF-Mischer sind Modulatoren oder Demodulatoren mit drei Anschlüssen und können aktiv und passiv sein. Sie können sowohl für die Aufwärts- (bei Verwendung in einem Sender) als auch für die Abwärtskonvertierung (bei Verwendung in einem Empfänger) verwendet werden. Der HF-Eingang wird mit einem lokalen Oszillator verbunden, um eine Zwischenfrequenz zu erzeugen, in der die Signale, die von Interesse sind, in einer Mischung aus der Anfangsfrequenz, der Frequenz des lokalen Oszillators und der Summen- und Differenzfrequenzen bewahrt werden, und zwar optimalerweise ohne Phasenverschiebung oder Dämpfung.

Abbildung 2: Mischer zur Aufwärts- (links) und Abwärtskonvertierung (rechts) in passiver und auch in aktiver Bauweise bieten rudimentäre Modulationsfunktionen, die für das Design von Funklösungen benötigt werden. Aktive Mischer können zuerst für einen Prototyp der nächsten Generation mit aktiven Komponenten verwendet und später auf einen Chip migriert werden, sobald eine monolithische Lösung gefunden wurde.

Bei passiven Mischern treten üblicherweise Leistungsverluste auf, bei aktiven hingegen Leistungsgewinne. Während passive Mischer gute Bandbreiten und gute Werte beim Intermodulations- und Verzerrungsverhalten aufweisen, lassen sich aktive Mischer besser in Ein-Chip-Lösungen integrieren und können sowohl eine gute Signaltrennung als auch eine geringere Empfindlichkeit bei der Lastanpassung vorweisen.

Ebenso wie die Schalter werden die Mischer aufgrund von Frequenzbereich, Verlusten und Phaseneigenschaften ausgewählt. Ein Beispiel ist der Maxim MAX2682EUT+T zur Abwärtskonvertierung in einem kompakten SOT23-6-Gehäuse, der für ISM- und Mobilfunkdesigns oder für die Implementierung in neuartige Funklösungen zwischen 400 MHz und 2,5 GHz geeignet ist. Basierend auf einem Silizium-Germanium-Prozess funktioniert er gut für gemeinsam genutztes GPS und 2,4-GHz-ISM-Verbindungen. Maxim stellt verschiedene Anwendungshinweise zur Verfügung, unter anderem Richtlinien zum Leiterplattenlayout¹, GPS-Frontend-Module² und Verbindungen für Satellitenempfänger³.

Auch für das 5-GHz-Band gibt es mehrere gute Wahlmöglichkeiten, die für schnellere Dualband-WLAN-Verbindungen die Konnektivität mit dem 2,5-GHz-Band teilen können. Bauteile wie der Hittite HMC557LC4TR können in einem Transceiver-Design für 2,4 GHz bis 7 GHz mit einer DC-3 GHz IF-Bandbreite sowohl zur Aufwärts- als auch zur Abwärtskonvertierung verwendet werden.

Bauteile für höhere Bandbreiten von 6 GHz bis 10 GHz wie etwa der Hittite HMC520LC4TR eignen sich für den Einsatz in Detektoren zum Aufspüren von Leitungen, Schrauben und Nägeln in Wänden. Auch für am Körper tragbare Computer der nächsten Generation wird der HMC1081 für die 60-GHz-Bänder zum Einsatz kommen, mit denen derzeit für PAN-Anwendungen experimentiert wird. Für diese extrem kleinen Bauteile werden monolithische Lösungen benötigt. Daher eignen sich Chip-Teile wie der HMC1081 ideal für Ihre MCM-Prototypen.

HF-Transistoren

Wenn für mehr Ausgangsleistung als mit einem monolithischen Sender üblicherweise möglich eine externe Ansteuerung benötigt wird, können HF-Transistoren verwendet werden. Diese Bauteile können näher an den tatsächlichen Antennen positioniert werden, um die Effizienz zu verbessern und einen höheren Sendestrom bereitzustellen. HF-Transistoren können außerdem als Schalter zur Isolation sensibler Bereiche des Empfängers verwendet werden, wenn Übertragungen mit höherer Leistung stattfinden.

Häufig werden in Ausgangstreibern NPN- und PNP-Transistoren verwendet, da sie widerstandsfähiger sind als FETs (gilt nicht immer). Da FETs den niedrigsten ON-Widerstand bieten, lassen sie sich im Signalweg effizienter verwenden.  Dadurch kann ein Signalweg gelenkt werden, beispielsweise zu einer anderen Antenne, oder man kann eine Signalkette anzapfen, um Messungen vorzunehmen. Wie nicht anders zu erwarten hängt die Auswahl des Transistors hauptsächlich von der Arbeitsfrequenz und der Betriebsspannung ab. Ein niedriger R_DSon, die Strombelastbarkeit und die Größe spielen jedoch auch eine entscheidende Rolle.

Transistoren können in allen Frequenzbändern verwendet werden, auch im UHF-Band. Das bietet Vorteile, wenn das Signal Wände und Strukturen durchdringen soll. Bauteile wie der CEL NE68019-A unterstützen Sub-2-GHz-Signale in einem kompakten SOT 543-Gehäuse mit drei Stiften. Außerdem liefern sie eine höhere Ausgangsleistung als diejenige, die im Inneren eines monolithischen Funk-Chips normalerweise zur Verfügung steht.

Der Toshiba 2SC5084-O(TE85L,F) kann ebenfalls verwendet werden. Er eignet sich für bis zu 7 GHz und bietet eine Ausgangsleistung von 150 mW.  Da er dadurch problemlos für 5 GHz geeignet ist, kann er für Dualband-Wi-Fi sowie für ZigBee, GSM, Bluetooth und andere 2,4-GHz-Protokolle verwendet werden.

Bauteile für niedrigere Frequenzen wie etwa der Ein- und Ausgangstransistor Toshiba 2SC2714-O(TE85L,F) mit 50 Ohm können für FM-Ausgangsstufen sowie als IF-Schalter mit höherfrequenten Mischern verwendet werden. Dank der verfügbaren IF-Oszillatoren lassen sich dieselben Transceiver-Blöcke für unterschiedliche Bandbreiten verwenden. Beachten Sie bitte auch, dass mit Transistor-Anordnungen sogar noch mehr Platz gespart werden kann. Allerdings verlieren Sie dann den Vorteil, einzelne Elemente an beliebigen Stellen platzieren zu können.

Produkte in Chip-Form

Für MCM-Prototypen oder Testläufe sind verschiedene Produkte in Chip-Form erhältlich. Dank Blitzlampen-Temperung von Keramiksubstraten können selbst passive SMT-Komponenten zusammen mit Die-Bonding-Komponenten verwendet werden. Des Weiteren kann die Chip-on-Board-Technologie zusammen mit HF-Stackups verwendet werden, um Platinen- bzw. Chip-Antennen zu integrieren.

Die Vielfalt an Einzelkomponenten wie Dämpfern, Verstärkern, Mischern und Modulatoren bietet enorme Freiheit beim Design neuer Funklösungen. Außerdem ermöglichen Sie die bestmögliche funktionelle Integration bei niedrigstem Risiko, da jeder Funktionsblock perfekt ausgelegt ist und reibungslos funktioniert.

Es spielt keine Rolle, ob es sich um einen dreistufigen Verstärker für 6-20 GHz wie etwa den Avago AMMC-5618-W10 (Abbildung 3), oder um einen mit PIN-Diode geschalteten SPDT-Schalter für 20 Watt und 8-10,5 GHz wie etwa den MA/Com MASW-010647-13950G handelt – sämtliche Bauteile können Pionierarbeit für künftige Standards leisten.

Abbildung 3: Beachten Sie die Komplexität selbst einfacher Funktionen wie etwa dieses Chip-Layout eines 20-GHz-Verstärkers. Durch die Verwendung aktiver Chips und passiver Anordnungen für Prototypen lassen sich aus bekannten Bausteinen dichte und effiziente MCM-Designs zaubern.

Einige ungewöhnliche Bauteile sind ebenfalls erhältlich, zum Beispiel der 2X Frequenzvervielfacher für den 20-40-GHz-Betrieb. Der Avago AMMC-6140-W10 im Chip-Gehäuse hat eine Ein- und Ausgangsimpedanz von jeweils 50 Ohm und bietet eine lineare Frequenzverdopplung.

Eine weitere interessante Option ist das Dämpfungsglied ATN3590-10 von Skyworks Solutions.

Diese Dämpfer mit festem Widerstand eignen sich perfekt für koplanare Wellenleiter oder Mikrostreifen-Schaltungsträger. Diese mit festen Dämpfungsschritten erhältlichen Bauteile ermöglichen in Kombination mit reflektiven HF-Schaltern stufenweise Anpassungen.

Zusammenfassung

Die meisten von uns werden integrierte Chipsätze der bekannten Hersteller verwenden, sobald ein Protokoll und die Verbindungseigenschaften zu einem allgemein akzeptierten Standard geworden sind. Nachfolgende Generationen hingegen werden kostenlose Software-Stacks zur Verfügung stellen und das Design von Funklösungen wird mehr nach dem Ausschneiden-und-Einfügen-Prinzip ablaufen.

Für diejenigen jedoch, die bei digitalen Funklösungen an die Grenzen gehen, bleibt die Miniaturisierung auch weiterhin einer der entscheidenden Faktoren. Das gilt insbesondere für solch wachstumsstarke Anwendungsbereiche wie am Körper tragbare Computer und Objekte.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenzen

1. Richtlinien zum Leiterplattenlayout von Maxim 
2. Maxim GPS-Frontend-Module – Anwendungshinweise 
3. Maxim Satellitenverbindungen – Anwendungshinweise