Les bienfaits de la miniaturisation : miniaturiser la RF - 2e partie

Cet article, le deuxième et dernier de la série, s'intéresse à la miniaturisation de quelques-uns des composants et éléments système actifs essentiels, qui permettront aux concepteurs de la nouvelle génération de liaisons sans fil de fournir des radios et des sous-systèmes radio plus compacts et plus efficaces. Nous nous pencherons sur les composants actifs de petite taille, comme les transistors, les mélangeurs, les modulateurs et les amplificateurs RF, et discuterons des dispositifs au format puce utiles pour les prototypes de types système sur puce (SoC) et module multipuce (MCM) et les cycles de production initiaux.

La partie 1 a décrit les derniers composants passifs compacts intégrant plusieurs composants discrets dans des versions à montage en surface plus petites. Ces derniers permettent des gains d'espace et de coûts, et une amélioration des performances. Ils sont en outre largement disponibles pour être utilisés avec les émetteurs-récepteurs de liaison radio standard habituels, qui en sont souvent à la troisième ou quatrième génération de leur conception. Un grand nombre d'entre eux sont également utilisables pour la conception radio personnalisée et nouvelle génération.

Les composants actifs discrets (ou à bloc fonctionnel) ciblent les solutions radio nouvelle génération pour les réseaux personnels (PAN) et les ordinateurs corporels. S'ils ne sont pas aussi denses en fonctions, les composants flexibles peuvent servir à poursuivre la tendance vers des systèmes à fréquence plus élevée et à longueur d'onde plus courte. Ces derniers permettent des réductions supplémentaires de la taille et peuvent utiliser des niveaux de puissance inférieurs puisque l'espace volumétrique du champ RF PAN est limité.

Les innovateurs désireux de rester à la pointe de l'innovation concevront et fabriqueront leurs propres systèmes radio nouvelle génération en utilisant les blocs fonctionnels actuellement disponibles. Cet article s'intéresse à quelques-uns de ces blocs actifs. Les composants, les fiches techniques, les conceptions de référence et les kits de développement référencés dans cet article sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

Retour à la case départ, une fois de plus

Deux grands niveaux de prototypes sont généralement requis lors de la conception de radios nouvelle génération. Le groupe de développement fonctionnel aura besoin de blocs fonctionnels intégrés avec un accès entre les étages à des fins de mesure et d'optimisation. Cette méthode permet de contrôler et d'ajuster les valeurs pour optimiser le transfert de puissance et conserver l'intégrité du signal étage par étage.

Si certains fabricants de puces d'émetteurs-récepteurs radio avancés fabriqueront le produit fini en tant que MCM, c'est avec un dispositif monolithique que l'on obtiendra le meilleur retour sur investissement. S'agissant de dispositifs de deuxième ou troisième génération, le format monolithique simplifié est généralement bien plus économique et souvent plus compact et plus performant, car il exploite l'expérience acquise avec les versions précédentes.

Toutefois, cette transformation au format monolithique se concrétise en fait dans une nouvelle conception. Les traces des cartes à circuit imprimé sont généralement prévues pour des caractéristiques de ligne de transmission et d'impédance strictes. Sur un module multipuce ou une puce silicium personnalisée, toutes les caractéristiques devront être redéfinies pour les nouveaux matériaux et les nouveaux formats. D'un point de vue physique, il s'agit en réalité d'une nouvelle conception.

C'est là que les commutateurs RF révèlent toute leur importance lors du prototypage d'une radio nouvelle génération. En fournissant un accès commuté aux nœuds internes, les concepteurs peuvent diriger le trajet du signal, contrôler ou ajuster l'étage. Notez toutefois que les commutateurs doivent eux aussi être réglés. Les commutateurs de contact standard peuvent ne pas fonctionner avec la RF. Les signaux à haute fréquence se servent de l'espacement des contacts (et même de l'espacement diélectrique) comme de condensateurs de traversée. Par conséquent, des commutateurs RF spéciaux (et leurs connecteurs) sont requis.

Plusieurs commutateurs RF monolithiques et au format puce de bonne qualité et compacts sont prêts à l'emploi, pour un accès interne aux étages de prototype ou pour des conceptions multi-antennes et à trajet partagé. Notez qu'ils sont caractérisés par leurs limitations de fréquence basse et haute, ainsi que par leurs pertes d'insertion et leurs courbes spectrales d'isolement de fréquence. Notez aussi que diverses topologies existent pour fournir une plus grande flexibilité du signal, particulièrement dans les circonstances où une antenne individuelle peut servir plusieurs fréquences, largeurs de bandes et protocoles. Un multiplexeur, par exemple, a besoin de moins de traces de signal que des commutateurs discrets.

Intéressons-nous au commutateur RF réflectif 4259-63 de Peregrine en boîtier compact (SC70-6). Ce commutateur RF SPDT à usage général présente des caractéristiques de 50 Ω de 10 MHz à 3 GHz et des pertes d'insertion de seulement 0,5 dB. La commande à une ou deux lignes sélectionnable, permettant des opérations de commutation sans chevauchement précises, est une fonctionnalité appréciable.

Ce composant fait partie de la série UltraCMOS du fournisseur, utilisant des substrats en saphir pour fournir des performances comparables à celles des technologies plus coûteuses de silicium-germanium ou d'arséniure de gallium, tout en garantissant de meilleures caractéristiques de tenue en puissance et de tolérance aux décharges électrostatiques. La gamme comprend des commutateurs RF, des mélangeurs et des atténuateurs.

Les commutateurs absorbants peuvent aussi être utilisés pour la commutation à exclusion mutuelle et à équilibrage de charge. Par exemple, le commutateur SPDT 50 Ω RF3025TR7 de RF Micro Devices présente une très vaste plage de 10 MHz à 6 GHz avec une très faible perte d'insertion de 1,1 dB (Figure 1). Cette valeur peut atteindre 0,5 dB à des fréquences inférieures à 1 GHz, fournissant un trajet propre pour un récepteur UHF, par exemple, partageant la même antenne.

Figure 1 : Les commutateurs absorbants peuvent présenter des conditions de commutation terminées ou non commutées chargées et contribuer à garder des impédances de trajet du signal régulières.

Selon les fréquences d'intérêt, les sélections de bandes permettent des opérations jusqu'à 86 MHz. Pour des solutions MCM et SoC, un commutateur RF puce SPDT 86 MHz de Hittite (faisant désormais partie d'Analog Devices) fera l'affaire. Le HMC-SDD112 présente un bon isolement de fréquence de 30 dB à 86 MHz et une perte d'insertion assez faible de 2 dB. Ce dispositif est actuellement destiné aux radars modernes, mais, au fur et à mesure de l'établissement d'un nombre croissant de liaisons à fréquence et débit de données élevés, des composants supplémentaires pour d'autres applications devraient devenir disponibles.

Mélangeurs

Les mélangeurs RF sont des modulateurs ou des démodulateurs actifs ou passifs à 3 ports. Ils peuvent servir à la conversion de type élévateur (lors de l'utilisation dans un émetteur) ou abaisseur (lors de l'utilisation dans un récepteur) [Figure 2]. La RF d'entrée est combinée à un oscillateur local pour créer une fréquence intermédiaire qui préserve les signaux d'intérêt dans un mélange de fréquence initiale, fréquence de l'oscillateur local et fréquences somme et différentielle, avec un peu de chance, sans décalage de phase ni atténuation.

Figure 2 : Les mélangeurs pour conversion de type élévateur (à gauche) et abaisseur (à droite) en format actif ou passif fournissent les fonctions de modulation rudimentaires requises dans les conceptions de radios. Les mélangeurs actifs peuvent intégrer un prototype nouvelle génération utilisant des composants actifs discrets et migrer sur puce une fois qu'une solution monolithique a été trouvée.

Les mélangeurs passifs présentent généralement de bonnes caractéristiques de perte, tandis que les mélangeurs actifs présentent de bonnes caractéristiques de gain. Si les dispositifs passifs affichent des bandes passantes larges et de bonnes caractéristiques de distorsion d'intermodulation, les mélangeurs actifs s'intègrent mieux à une solution monopuce et fournissent un bon isolement de signal et une sensibilité moindre à l'adaptation d'impédance.

Comme pour les commutateurs, la sélection des mélangeurs se fait en fonction de leurs caractéristiques de plage de fréquence, de perte et de phase. Par exemple, le convertisseur abaisseur MAX2682EUT+T de Maxim, encapsulé dans un boîtier SOT23-6 compact, peut cibler des conceptions de communications ISM et cellulaires ou implémenter toute nouvelle conception de radio entre 400 MHz et 2,5 GHz. Basé sur un processus silicium-germanium, il fonctionne parfaitement pour les liaisons GPS et ISM à 2,4 GHz. Maxim fournit plusieurs notes d'application, notamment des consignes sur la configuration de la carte à circuit imprimé¹, sur les circuits d'entrée GPS² et sur les liaisons de réception satellite³.

Il existe également plusieurs bons choix pour les bandes de 5 GHz, pouvant partager leur connectivité avec des bandes de 2,4 GHz pour des connexions LAN sans fil double bande à plus haute vitesse. Des composants comme le HMC557LC4TR de Hittite peuvent fonctionner comme un convertisseur abaisseur ou élévateur dans une conception d'émetteur-récepteur s'étendant de 2,4 GHz à 7 GHz avec une vaste bande passante IF CC-3 GHz.

Les composants à plus large bande de 6 GHz à 10 GHz comme le HMC520LC4TR de Hittite sont utiles dans les applications d'imagerie comme dans les détecteurs de câbles ou de clous. Pour les ordinateurs corporels nouvelle génération, le dispositif HMC1081 prendra en charge les bandes 60 GHz envisagées pour les applications PAN. Ces unités ultracompactes nécessiteront des solutions monolithiques. Les puces comme le HMC1081 conviennent donc parfaitement à une utilisation sur vos prototypes de MCM.

Transistors RF

Lorsqu'un disque externe est requis pour fournir plus de puissance de sortie que ce qu'un émetteur monolithique peut habituellement fournir, il est possible d'utiliser des transistors RF externes. Ces composants peuvent être placés plus près des antennes pour améliorer le rendement et fournir un courant d'émission plus élevé. Les transistors RF peuvent aussi être utilisés comme des commutateurs à plus haute puissance pour isoler des sections de réception sensibles lors de l'émission à une puissance plus élevée.

Les circuits d'attaque de sortie utilisent souvent des transistors NPN et PNP, car ils sont plus résistants que les FET (mais pas toujours). Les FET sont très efficaces pour offrir les résistances à l'état passant les plus faibles. Par conséquent, ils sont utilisés plus efficacement dans le trajet du signal. Il peut s'agir de diriger un trajet de signal, vers une autre antenne par exemple, ou de se connecter à une chaîne de signaux à des fins de contrôle. Comme on pouvait s'y attendre, la sélection du transistor se fera principalement en fonction de la fréquence et de la tension de fonctionnement, mais la faible résistance R_DS(ON), la capacité de tenue en courant et la taille sont d'autres facteurs importants.

Les transistors peuvent être utilisés dans toutes les bandes, notamment la bande UHF, qui présente des avantages lorsque la pénétration du signal dans les murs et les structures est importante. Des composants comme le NE68019-A de CEL prennent en charge les signaux inférieurs à 2 GHz dans un format SOT 543 compact à 3 broches et peuvent fournir une puissance de sortie supérieure à celle qui est habituellement disponible dans une puce radio monolithique.

Le dispositif 2SC5084-O(TE85L,F) de Toshiba peut aussi être utilisé. Il est adapté jusqu'à 7 GHz avec une capacité de tenue en courant de sortie de 150 mW. Il gère facilement une fréquence de 5 GHz, et peut donc être utilisé avec le Wi-Fi double bande ainsi qu'avec les protocoles ZigBee, GSM, Bluetooth et les autres protocoles 2,4 GHz.

Des composants à fréquence moins élevée comme le 2SC2714-O(TE85L,F) de Toshiba à entrée et sortie de 50 Ω peuvent être utilisés pour des étages de sortie FM ainsi que pour la commutation IF avec des mélangeurs à fréquence plus élevée. Des oscillateurs IF sélectionnables permettent aux mêmes blocs d'émetteurs-récepteurs de gérer différentes bandes passantes. Notez aussi que les matrices de transistors peuvent permettre d'économiser encore plus d'espace, mais peuvent vous faire perdre les avantages de placement des éléments à l'endroit souhaité.

Produits de puces

Une grande variété de produits de puces est disponible pour les prototypes MCM ou les exécutions pilotes. Grâce aux substrats céramique avec recuit éclair, même les dispositifs CMS passifs peuvent coexister avec des dispositifs à puce fixée. En outre, la technologie COB (Chip-on-Board) peut être associée à des empilages RF pour incorporer des antennes sur la carte ou sur la puce.

Les nombreuses fonctions discrètes, notamment les atténuateurs, les amplificateurs, les mélangeurs et les modulateurs offrent une grande liberté lors de la structuration d'une nouvelle conception radio. De plus, elles fournissent un niveau d'intégration fonctionnel maximum avec un minimum de risques, puisque chaque bloc fonctionnel est bien caractérisé et fonctionne dès la sortie de l'emballage.

Qu'il s'agisse d'un amplificateur à 3 étages de 6 à 20 GHz, comme le modèle AMMC-5618-W10 d'Avago (Figure 3) ou d'un commutateur SPDT terminé par une diode PIN de 8 à 10,5 GHz, 20 W comme le MASW-010647-13950G de MA/Com, tous les composants sont là pour devancer les normes à venir.

Figure 3 : Notez la complexité de fonctions aussi simples que cette configuration de puce d'amplification 20 GHz. L'utilisation d'une puce active et de matrices passives pour les prototypes permet des conceptions MCM denses et efficaces avec des blocs de construction connus.

Certains composants inhabituels sont aussi disponibles, comme le multiplicateur de fréquence 2X pour le fonctionnement de 20 à 40 GHz. Le dispositif en boîtier puce AMMC-6140-W10 d'Avago présente une impédance d'entrée et de sortie de 50 Ω tout en fournissant un doublement de la fréquence linéaire.

Le coussinet atténuateur ATN3590-10 de Skyworks Solutions constitue une autre option intéressante.

Ces atténuateurs résistifs fixes conviennent parfaitement aux guides d'ondes coplanaires ou aux porte-circuits micro-ruban. Disponibles avec des paliers d'atténuation fixes, ils peuvent permettre des ajustements de niveau par palier lorsqu'ils sont associés à des commutateurs RF réflectifs.

Résumé

La plupart d'entre nous utiliseront des jeux de puces intégrés de grands fabricants une fois qu'un protocole sera défini et que les caractéristiques de liaison seront une norme largement acceptée. Les générations suivantes fourniront des piles logicielles gratuites, et la conception radio consistera en une simple opération de couper-coller.

Toutefois, pour ceux qui repoussent les limites de la radio numérique, la miniaturisation demeure un facteur crucial, particulièrement pour les applications à forte croissance comme les ordinateurs et les périphériques corporels.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages du site Web de DigiKey.

Références

1. Instructions de configuration des cartes à circuit imprimé de Maxim
2. Note d'application des circuits d'entrée GPS de Maxim
3. Note d'application de l'application de connectivité satellite de Maxim