Come ottimizzare SWaP nelle catene di segnali RF ad alte prestazioni

La domanda di connettività wireless ad alte prestazioni continua a crescere in una gamma sempre più ampia di applicazioni, dagli smartphone ai computer portatili, tablet, indossabili, droni, punti di accesso e apparecchi per la casa intelligente e Internet delle cose (IoT). Per i progettisti di questi dispositivi, un fattore critico di differenziazione è l'esperienza dell'utente finale, che in gran parte è determinata dalla qualità, dal throughput e dall'affidabilità del segnale wireless, oltre che dalla durata della batteria. Anche le dimensioni e il peso dei dispositivi sono fattori di differenziazione importanti, in particolare per gli indossabili. Per i progettisti, l'ottimizzazione di questi parametri richiede un'attenta analisi di tutti gli aspetti della catena di segnali a radiofrequenza (RF), che può essere scoraggiante sia per gli esperti sia per i neofiti del settore.

Questo articolo passa in rassegna varie parti della catena di segnali RF e descrive come i sintonizzatori d'antenna, i commutatori cross RF, i commutatori di diversità dell'antenna, gli amplificatori a basso rumore (LNA) e i transistor RF a basso rumore contribuiscano a soluzioni ad alte prestazioni. Esamina inoltre le opzioni per l'interfaccia di controllo. Presenta poi alcuni componenti di esempio di Infineon e mostra come questi supportino progetti RF ad alte prestazioni, soddisfacendo al contempo requisiti sempre più rigorosi in termini di dimensioni, peso e potenza (SWaP). Il documento si conclude con un confronto tra due opzioni di contenitore piccolo e senza conduttori (TSNP) per soluzioni RF compatte.

Elementi essenziali dell'antenna

Le prestazioni dell'antenna sono fondamentali nei dispositivi connessi del giorno d'oggi. L'accordatura può consentire a una singola antenna di fornire buone prestazioni in diverse bande di frequenza e contribuire a una soluzione più compatta ed efficiente. I progettisti possono utilizzare i commutatori nella sezione del sintonizzatore d'antenna della catena di segnali RF per massimizzare il trasferimento di potenza all'antenna e ottimizzare le prestazioni in base ai requisiti dell'applicazione specifica (Figura 1).

Figura 1: I commutatori di accordatura dell'antenna sono utilizzati nella sezione del sintonizzatore per ottimizzare le prestazioni dell'antenna. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Commutatori cross RF

In molte applicazioni, l'accordatura dell'antenna è una condizione necessaria ma non sufficiente per garantire prestazioni ottimali. In questi casi, potrebbe essere necessaria più di un'antenna. Alla catena di segnali può essere aggiunto un commutatore cross RF per consentire la selezione dell'antenna che fornisce le migliori prestazioni in una determinata situazione, aumentando la potenza di trasmissione o la sensibilità del ricevitore (Figura 2). I commutatori cross RF devono fornire una commutazione efficiente e veloce per supportare gli scambi di antenna e devono avere un isolamento elevato, una bassa perdita di inserzione e generare basse armoniche per supportare un funzionamento efficiente e affidabile del sistema.

Figura 2: L'uso di un commutatore cross RF consente di selezionare l'antenna più performante per l'uplink o il downlink. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Commutatori di diversità e LNA

A volte, il passaggio all'antenna migliore è ancora insufficiente per supportare la larghezza di banda richiesta. In questo caso, alla catena di segnali RF viene aggiunto un canale supplementare chiamato percorso di diversità. La diversità di antenna migliora la qualità e l'affidabilità della trasmissione e della ricezione. I commutatori di diversità sono utilizzati in una serie di applicazioni, dalle apparecchiature di rete Wi-Fi agli smartphone e ai tablet. Questi commutatori possono essere utilizzati per compensare le interferenze multipercorso nella ricezione del segnale. Il ricevitore monitora i segnali in arrivo e passa da un'antenna all'altra in base all'intensità del segnale. Come nel caso dei commutatori cross RF, quelli di diversità devono avere un isolamento elevato, basse perdite di inserzione e generare basse armoniche.

Gli LNA sono un altro elemento fondamentale della catena di segnali RF (Figura 3). Come i vari approcci alla gestione delle antenne, l'uso degli LNA può migliorare la qualità della ricezione e aumentare la velocità dei dati. Gli LNA sono disponibili con un guadagno fisso o con più passi di guadagno che possono essere utilizzati per regolare con precisione le prestazioni. Gli LNA basati sulla tecnologia dei circuiti integrati monolitici a microonde (MMIC) sono stati tradizionalmente prodotti con la tecnologia dell'arseniuro di gallio (GaAs). Gli MMIC LNA al germanio di silicio (SiGe) di più recente sviluppo possono supportare le frequenze necessarie a un costo inferiore. Gli LNA sono dispositivi molto compatti e facilmente integrabili in contenitori molto compatti. Inoltre, gli MMIC LNA sono disponibili con protezione integrata contro le scariche elettrostatiche (ESD) e il loro basso consumo energetico li rende adatti ai dispositivi mobili e agli indossabili in cui i criteri SWaP sono un fattore importante.

Figura 3: L'uso di commutatori di diversità e di LNA può contribuire a migliorare la qualità della ricezione e ad aumentare la velocità dei dati. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Interfacce di controllo

I commutatori di accordatura dell'antenna, i commutatori cross e i commutatori di diversità richiedono generalmente un'interfaccia con il controller del sistema. Nelle implementazioni più semplici, viene spesso utilizzata un'interfaccia GPIO (ingresso/uscita per uso generale). Un GPIO è un pin di segnale non vincolato controllabile via software su un CI programmabile come ingresso e/o uscita, a seconda delle necessità.

Per esigenze di controllo più complesse, viene generalmente utilizzato lo standard MIPI (interfaccia di processore industriale mobile). L'interfaccia di controllo MIPI RF front-end (RFFE) è stata ottimizzata per l'uso in catene di segnali RF ad alte prestazioni per fornire funzioni di controllo rapide, semi-automatiche ed estese. Il MIPI RFFE può includere fino a 19 dispositivi per bus (fino a quattro dispositivi leader e 15 dispositivi dipendenti). È progettato per l'uso con LNA, sintonizzatori d'antenna, commutatori, amplificatori di potenza e filtri. Il MIPI RFFE può facilitare la progettazione, la configurazione e l'integrazione di catene di segnali RF e supporta l'uso di componenti di diversi fornitori.

LNA controllabile via MIPI

I progettisti possono utilizzare l'LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 di Infineon per catene di segnali RF ad alte prestazioni. L'interfaccia MIPI può controllare le otto modalità di guadagno e le 11 modalità di polarizzazione per aumentare la gamma dinamica del sistema, adattandosi attivamente alle mutevoli condizioni dell'ambiente RF (Figura 4). È progettato per l'uso nelle bande 3GPP tra 1,4 e 2,7 GHz (principalmente per le bande B1, B3, n41 e B21). Può fornire una cifra di rumore di 0,6 dB e un guadagno fino a 20,2 dB con 5,8 mA di corrente. Funziona con tensioni di alimentazione comprese tra 1,1 e 2,0 V ed è qualificato per le applicazioni industriali basate su JEDEC47/20/22.

Figura 4: L'interfaccia MIPI di questo LNA può controllare otto modalità di funzionamento del guadagno e 11 modalità di polarizzazione per ottimizzare le prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Ha diverse caratteristiche che aiutano a soddisfare gli impegnativi requisiti SWaP, tra cui:

• Dimensioni: TSNP-9 a nove pin misura 1,1 × 1,1 mm e la sua altezza di 0,375 mm lo rende adatto ad applicazioni con vincoli di spazio.
• Peso: il contenitore TSNP-9 è stato ottimizzato per l'uso in caso di peso ridotto.
• Alimentazione: l'LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 ha una corrente di bypass di soli 2 µA, che estende i tempi di funzionamento della batteria.

Commutatore di diversità d'antenna

Il commutatore di diversità unipolare a due vie (SPDT) a banda larga BGS12WN6E6327XTSA1 di Infineon ha una velocità di commutazione tipica di 160 ns, oltre a una logica di controllo integrata (decoder) e alla protezione ESD (Figura 5). Progettata per l'uso in catene di segnali RF Wi-Fi, Bluetooth e a banda ultra-larga, una delle due porte può essere collegata a un'antenna di diversità e gestire fino a 26 dB riferiti a 1 milliwatt (dBm). È fabbricato con tecnologia MOS e fornisce le prestazioni di un dispositivo GaAs, ma elimina la necessità di condensatori di blocco c.c. esterni sulle porte RF, a meno che non sia prevista l'applicazione di una tensione c.c. esterna.

Il chip include una logica CMOS pilotata da un singolo segnale di controllo CMOS o TTL compatibile. Presenta un elevato isolamento da porta a porta e basse perdite di inserzione fino a 9 GHz. Per ridurre le dimensioni e il peso, il dispositivo viene fornito in un contenitore PG-TSNP-6-10 che misura 0,7 × 1,1 mm con un'altezza massima di 0,375 mm. Può funzionare con tensioni di alimentazione fino a 4,2 V con una corrente di alimentazione tipica di 36 µA e una corrente di controllo di 2 nA, massimizzando il tempo di funzionamento nei dispositivi alimentati a batteria.

Figura 5: Il commutatore di diversità SPDT BGS12WN6E6327XTSA1 può commutare in 160 ns e include logica di controllo integrata e protezione ESD. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Commutatore cross RF

Il commutatore cross CMOS RF BGSX22G6U10E6327XTSA1 di Infineon è progettato specificamente per applicazioni GSM, WCDMA, LTE e 5G. Questo commutatore bipolare a due vie (DPDT) presenta una bassa perdita di inserzione a frequenze fino a 7,125 GHz, una bassa generazione di armoniche e un elevato isolamento tra le porte RF. Il suo tempo di commutazione di 1,3 µs consente di supportare le applicazioni di segnale di riferimento sonoro (SRS) 5G. Dispone di un'interfaccia di controllo GPIO e funziona con tensioni di alimentazione comprese tra 1,6 e 3,6 V. Il contenitore PG-ULGA-10 misura 1,1 × 1,5 mm, ha uno spessore di 0,60 mm ed è ottimizzato per applicazioni con vincoli di spazio e peso. Questo dispositivo a basso consumo ha una corrente di alimentazione tipica di 25 µA e una corrente di controllo di 2 nA.

Commutatore di accordatura dell'antenna

I progetti che richiedono un commutatore di accordatura dell'antenna unipolare a quattro vie (SP4T) ottimizzato per applicazioni fino a 7,125 GHz possono utilizzare il modello BGSA14M2N10E6327XTSA1 di Infineon. Le quattro porte a resistenza di 0,85 Ω sono progettate per l'uso in applicazioni di accordatura ad alto Q. L'interfaccia di controllo digitale MIPI RFEE semplifica l'implementazione nelle catene di segnali RF. La capacità di tensione di picco di 45 V e la bassa capacità di 160 fF nello stato OFF lo rendono adatto alla commutazione di induttori e condensatori nei circuiti di adattamento delle antenne RF senza perdite significative (Figura 6). Il contenitore TSNP-10-9 da 1,3 × 0,95 mm e 0,375 mm di altezza, unito a un consumo di corrente di 22 µA, rende questo dispositivo in grado di supportare applicazioni SWaP impegnative.

Figura 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 può commutare in modo efficiente induttori e condensatori nei circuiti di accordatura dell'antenna RF. (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Transistor RF

Una catena di segnali RF ad alte prestazioni inizia con il transceiver e la sezione di amplificazione RF. Per questo sono necessari transistor di potenza RF come il transistor bipolare di eterogiunzione (HBT) NPN RF a banda larga BFP760H6327XTSA1 di Infineon:

• Bassa cifra di rumore minima (NF_min) di 0,95 dB a 5,5 GHz, 3 V, 10 mA
• Elevato guadagno di potenza massima (G_ms) di 16,5 dB a 5,5 GHz, 3 V, 30 mA
• Elevata linearità con punto di intercetta del terzo ordine in uscita (OIP₃) di 27 dBm a 5,5 GHz, 3 V, 30 mA

Questo transistor di potenza è qualificato per le applicazioni industriali. È progettato per l'uso nei sistemi di comunicazione wireless e satellitare, nei dispositivi di navigazione GPS, nei dispositivi multimediali mobili e in altre applicazioni RF ad alte prestazioni.

Opzioni del contenitore TSNP

Le dimensioni compatte dei contenitori TSNP richiedono tolleranze geometriche stabili sulla scheda CS, per cui è necessario utilizzare un design delle piazzole non definito dalla maschera per saldatura (NSMD). Le tolleranze delle piazzole per NSMD sono inferiori rispetto alla resistenza della lega saldante. Per l'NSMD, le tracce sulla scheda CS devono essere di 100 µm al massimo. In genere, le piazzole della scheda CS per un contenitore TSNP di sola base, ad esempio utilizzato dall'LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1, dal commutatore di diversità dell'antenna BGS12WN6E6327XTSA1 e dal commutatore di accordatura dell'antenna BGSA14M2N10E6327XTSA1 descritti in precedenza, sono progettate trasferendo il profilo della piazzola del contenitore e aggiungendo 25 µm ai lati.

I progettisti devono essere consapevoli che esiste più di uno stile di piazzola TSNP. Esistono piazzole standard e altre progettate per l'ispezione ottica LTI (Figura 7). I dispositivi LTI richiedono un'area di montaggio più ampia, poiché la piazzola della scheda deve estendersi oltre il profilo del contenitore per un minimo di 400 μm (Figura 7). Sebbene il progetto LTI supporti l'ispezione ottica, potrebbe non essere adatto a progetti critici dal punto di vista dei criteri SWaP che richiedono una soluzione di dimensioni contenute al massimo.

Figura 7: Sono disponibili contenitori TSNP che utilizzano piazzole standard (a sinistra) o più grandi ottimizzate per LTI ottico (a destra). (Immagine per gentile concessione di Infineon)

Conclusione

Le considerazioni di SWaP sono importanti quando si specificano sintonizzatori d'antenna, commutatori cross RF, commutatori di diversità d'antenna, LNA e transistor RF a basso rumore in una serie di dispositivi wireless portatili e indossabili. Come dimostrato, Infineon offre ai progettisti una gamma di dispositivi da utilizzare nelle applicazioni di catena di segnali RF ad alte prestazioni, in grado di soddisfare anche gli esigenti requisiti SWaP. Con questi dispositivi, i progettisti possono ottimizzare l'affidabilità e la larghezza di banda della catena di segnali RF e prolungare la durata della batteria.

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