- 射頻開關優(yōu)化智能手機信號
- 蜂窩手機中要求使用大量射頻開關
- 使用分立元件和芯片組進行設計
不管是通過蜂窩還是移動連接網(wǎng)絡和外部設備，為了確保高數(shù)據(jù)速率的無線通信，典型的智能手機(圖1)都集成有許多天線組件和多個無線數(shù)據(jù)流。放大、過濾和切換所要求的射頻信號需要用到多種射頻元件(圖中用藍色突出顯示了射頻開關部分)。
現(xiàn)代智能手機是一種復雜的設備，在手持式封裝中充分融合了計算和通信技術。這些設備必須通過直觀的操作界面提供各種與消費者和業(yè)務有關的功能。電磁 (EM)場產(chǎn)生計算機電路與必定會接收到其它EM信號的無線電路非常靠近，這只是智能手持設備面臨的設計挑戰(zhàn)之一。智能手機的復雜性還延伸到了這些多射頻發(fā)射器的RF模擬/混合信號領域。
圖1：該模塊圖顯示了典型的智能手機架構，除了多頻段蜂窩電話外，還包含嵌入式藍牙、GPS和調頻收音機功能。
觀察這種新型手機內部的無線模塊，可以發(fā)現(xiàn)多種無線電信號在很小物理體積內工作和共存所固有的復雜性。這種復雜的信號路由和射頻開關要求對智能手機設計提出了極大的挑戰(zhàn)。智能手機中的射頻開關配置種類十分廣泛，從相對簡單的單刀雙擲(SPDT)配置直到更為復雜的單刀十擲(SP10T)配置，有時擲的數(shù)量甚至更高。開發(fā)所有這些開關的源動力是豐富的無線電通信技術以及智能手機中的多種頻率和多副天線。
在蜂窩通信系統(tǒng)中用到了多種射頻開關元件(圖2)。這些開關元件包括主天線發(fā)送/接收(T/R)開關，用于將主設備天線用于時分雙工(TDD)收發(fā)器中的蜂窩發(fā)送和接收功能，例如用于提供全頻段GSM服務的收發(fā)器。另外，頻段模式開關主要用于將寬帶CDMA信號從功放的輸出引導至頻率選擇頻段雙工器。分集開關用于連接第二副或分集蜂窩天線。分集天線在數(shù)據(jù)卡應用中非常普遍，在智能手機應用中也越來越流行，特別是針對以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)(如LTE)。
圖2：蜂窩手機中要求使用大量射頻開關，分別用于天線切換、頻段切換和分集切換。
主天線開關的主要功能是將空中射頻無線電通信信號連接到通信調制解調器中的主要發(fā)送與接收功能模塊。目前這種天線開關的實現(xiàn)有多種多樣，從單刀七擲(SP7T)直到單刀十擲(SP10T)都有，具體取決于智能手機支持的射頻頻段數(shù)量。
主天線開關的任務是保持信號線性度，并提供發(fā)送與接收鏈之間的隔離，同時盡可能實現(xiàn)最小的插損。從以前僅傳送語音的通信向無線數(shù)據(jù)通信的過渡促進了向更高階調制方案的發(fā)展，比如正交頻分復用(OFDM)調制以及緊密相關的正交頻分多址(OFDMA)調制。這些復雜的調制方案產(chǎn)生的波形幅度變化范圍非常大，因此信號具有很高的峰均比(PAPR)，進而對處理它們的元件提出了更大動態(tài)范圍的要求，同時要求射頻開關具有杰出的線性度，以便最大限度地降低射頻信號路徑中的失真。
為了在信號功率電平越來越高時仍能保持好的線性度，大多數(shù)天線開關采用越來越復雜的設計拓撲來滿足這些更加嚴格的線性要求。例如，在天線開關模塊中經(jīng)常集成有電荷泵，用于提升電池電壓以控制構成開關的場效應晶體管(FET)。這種方案通常是一種合理的折衷，因為它減少了對更大FET的需求，改善了開關插損和隔離性能，增強了開關壓縮點的魯棒性。開關壓縮點定義為增益被壓縮0.1dB或1dB的輸出功率點(P0.1dB或P1dB)。
根據(jù)系統(tǒng)分割方法，開關可能包含GSM發(fā)送諧波頻率濾波功能。這種配置通常被稱為天線開關模塊(ASM)。一些改進的開關可能還包含聲表面波(SAW)濾波器，組成微型模塊封裝中完整的開關/接收濾波器。不管是ASM或沒有GSM濾波器的開關，還是完整的發(fā)送/接收開關和SAW模塊，主通道開關總是包含緊湊模塊中的主開關和控制邏輯功能。
用于智能手機應用的高擲數(shù)開關通常采用GaAs偽晶高電子遷移率晶體管(pHEMT)工藝制造，不過這些產(chǎn)品也可能使用標準硅CMOS和絕緣硅(SOI)技術開發(fā)。每種方法都有優(yōu)缺點，而選擇通常取決于最終用戶的要求。
Skyworks Solutions公司最近開發(fā)出多款高擲數(shù)的開關，其中包括用于多頻段操作的單刀十擲開關。舉例來說，型號為SKY13362-389-LF的單刀十擲 (SP10T)開關支持多達5個3G蜂窩通信頻段。這種開關由4個CMOS/TTL兼容的控制電壓所控制，集成了CMOS解碼器和GSM發(fā)送濾波器，可在單個+2.5V至+3.0VDC電源下工作，工作頻率范圍從0.4GHz至2.2GHz。從天線端口到收發(fā)器端口的典型插損值為0.5dB，天線端口到任一GSM發(fā)送端口的插損是1.1dB，天線到接收端口的插損也是1.1dB。隔離度至少17dB，最高32dB(取決于測量的是哪兩個端口)。這種開關具有5μs的切換速度，在UMTS模式下測試時的輸入3階截取點為+61dBm或更高，開關采用3.0x3.8mm扁平無引線(QFN)封裝供貨。
Skyworks Solutions公司推出的型號為SKY14152的前端模塊包含有集成式絕緣硅開關和控制器、GSM發(fā)送濾波器和單頻段差分SAW接收濾波器。其中的開關是一種單刀八擲(SP8T)元件，工作頻率范圍從0.4GHz至2.17GHz。在開關的發(fā)送接收端口可以承受至少+27dBm的功率，典型的插損在 0.7dB以下。任何兩個端口之間的隔離度至少有30dB。SKY14152模塊針對數(shù)據(jù)卡應用作了優(yōu)化，采用20引腳、3.2x3.2mm多芯片模塊 (MCM)封裝供貨。
在一些手持式應用中，允許直接連接手機電池(具有正確的電源電壓范圍)的產(chǎn)品是很有用的。未來設計也可能從基于GPIO的控制接口轉為工業(yè)標準可編程接口中，以適應高擲數(shù)的天線開關模塊應用。
隨著3G多模和多頻架構的普及，對頻段/模式開關的需求越來越多。高線性的頻段和/或模式開關可以在寬帶碼分多址(WCDMA)信號通過天線開關模塊發(fā)送出去之前，將該信號從功率放大器(PA)輸出端切換入合適的頻率雙工器。對頻段或模式開關的要求取決于所選擇的功放架構。在單模架構場合，由于GSM 發(fā)送通道和線性寬帶CDMA通道是分開的，因此只要求頻段開關能夠將WCDMA信號從功放輸出端傳遞到雙工器。在多模、多頻信號路徑架構場合，由于GSM 和WCDMA信號通過同一功放發(fā)送，模式開關必須能夠處理更大功率的飽和GSM調制信號。兩種功放架構一般都有一條高頻段和一條低頻段放大器鏈。在單模架構中，開關只需用來選擇多個寬帶CDMA雙工器中的一個。
根據(jù)需要支持的寬帶CDMA頻段數(shù)量，頻段或模式開關通常是單刀雙擲(SPDT)或單刀三擲(SP3T)配置。然而，在空間十分寶貴的設計中，這個功能可以合并為雙刀四擲(DP4T)開關或雙刀五擲(DP5T)開關，這樣的配置可以處理多達5個頻段。對這些開關的要求取決于開關必須處理的射頻信號電平。目標是提供足夠的線性度，不給系統(tǒng)增加由開關引起的信號失真。
頻段開關可同時用于前置功放和后置功放，因為在多頻段平臺中頻段會增加或合并。選擇pHEMT還是絕緣硅技術通常由實際控制電壓的大小決定。當控制電壓為2.8V或以上時，pHEMT技術是一個很好的選擇。當射頻子系統(tǒng)使用較低電壓的邏輯信號(如1.8V)時，絕緣硅技術更加合適。與高擲數(shù)的開關不同，低擲數(shù)的GaAs器件由于尺寸受限，通常不會采用電荷泵電路。
Skyworks Solutions公司提供的頻段/模式開關產(chǎn)品包括適合低邏輯電平(1.8V控制邏輯)的絕緣硅器件和GaAs pHEMT器件。絕緣硅開關器件包括SPDT型號SKY13330-397LF、SP3T型號SKY13345-368LF和雙刀四擲(DP4T)型號 SKY14155-368LF等。GaAs pHEMT集成電路(IC)包括型號為SKY13351-378LF、SKY13320-374LF和SKY13321-360LF的SPDT開關、型號為SKY13309-370LF和SKY13317-373LF的SP3T開關以及型號為SKY14151-350LF的SP4T開關。
在新興的無線手機和數(shù)據(jù)卡應用中，經(jīng)常會使用第二個或分集接收天線以及相關的接收機信號鏈。分集接收技術用于提高數(shù)據(jù)速率，特別是在數(shù)據(jù)吞吐量最關鍵的場合。基于成本和功耗的考慮，實用的分集技術只應用于終端設備中的接收側，不包括發(fā)送信號路徑。根據(jù)所需支持的寬帶CDMA頻段數(shù)量，在分集天線處需要使用一個合適的開關。在大多數(shù)情況下，要求使用SP3T、SP4T或單刀五擲(SP5T)開關。與主要路徑天線使用的開關相比，這些射頻開關的承受功率要求要低一些，因為這些開關不需要通過很高功率的發(fā)送機信號。
Skyworks公司針對分集應用設計了多款產(chǎn)品，SKY13322-375LF SP4T開關、SKY14153-368LF SP4T開關、SKY13345-368LF SP4T開關和SKY14151-350LF SP4T開關就是適合分集應用的一些最流行器件。將來的產(chǎn)品中還將包括SP5T開關SKY13358-388LF。舉例來說，型號為 SKY13322-375LF的GaAs FET SP4T開關可以工作在0.1GHz至6.0GHz頻率范圍，1GHz時的典型插損值為0.45dB，1GHz時的典型隔離度為28dB。這種開關的 1dB壓縮點(P1dB)為+30dBm，采用10引腳的微型引線框雙路封裝(MLPD)，尺寸為2x3mm。型號為SKY14151-350LF SP4T的分集開關可以工作在0.1GHz至2.5GHz頻率范圍，1GHz時的隔離度為29dB，1GHz時的插損典型值為0.4dB。這款開關還集成了解碼器，僅使用兩根TTL兼容的直流控制線來控制4個開關端口。該開關可以處理功率達+34.5dBm的900MHz射頻和功率達+31.5dBm的 1.8GHz射頻信號。這是一種對稱型開關，專門針對GSM/WCDMA/EDGE作了優(yōu)化，可以在+2.5至+3.0VDC的單電源下工作，并采用 3x3mm QFN封裝供貨。此外，4G標準對用于多入多出(MIMO)操作的第二副天線組件作了規(guī)定。在較簡單的實現(xiàn)中，MIMO可以通過選擇更強的接收信號或合并兩個獨立天線端接收到的信號提高總的接收信號強度，從而促進數(shù)據(jù)速率的提高。在較為復雜的實現(xiàn)中，MIMO可以用來在基站和手機之間同時傳送兩個(或多個)獨立數(shù)據(jù)流。第4代蜂窩標準LTE的推出將驅動更多的分集路徑配置，因為智能手機擴大了便攜式設備的數(shù)據(jù)吞吐能力。
[page]
在移動連接方面，開關對于信號路由和將不同無線信號連接到天線來說至關重要。智能手機中的藍牙無線電、Wi-Fi連接和移動電視接收功能都要求額外的開關功能。近年來，智能手機類設備中移動連接的附加速率(更多功能以此速率添加到手機中)顯著提高。藍牙和調頻收音機的附加率大于50%，全球定位系統(tǒng) (GPS)和Wi-Fi的附加率接近20%。在單個芯片中整合了多種通用移動連接技術(藍牙、Wi-Fi和調頻收音機)的芯片組的推出進一步推動了這些附加功能的流行和普及。
移動無線連接選件一般有兩種實現(xiàn)方式：使用分立元件和芯片組進行設計，或通過第三方模塊制造商提供。不管實現(xiàn)細節(jié)如何，在智能手機的移動連接側存在射頻開關的多種應用。
圖3：該圖顯示了面向智能手機的一些移動連接應用。
在嵌入式WiFi應用場合，手機制造商的頻段范圍將決定射頻開關的要求。如果限于2.4GHz頻段內工作，一般要求使用SPDT或SP3T的開關器件，具體取決于藍牙信號是否存在。開關接口在某種程度上取決于WiFi解決方案的芯片組制造商。向開關提供2.8V穩(wěn)壓輸出的芯片組通常適合使用 pHEMT器件。越來越多的新款WiFi芯片組專門針對便攜式應用(使用1.8V范圍的低電平邏輯電壓)作了優(yōu)化。在只使用1.8V的情況下，絕緣硅開關也許是更好的選擇，可以避免pHEMT器件在工作電壓低于2.7V時可能發(fā)生的性能劣化。
在選用GaAs pHEMT器件時，Skyworks公司有豐富的產(chǎn)品組合適合這類應用。選用建議包括SKY13323-378LF SPDT和SKY13351-378LF SDPT(適合5.8GHz頻段)開關、SKY13317-373LF SP3T開關(適合5.8GHz頻段)。如果要求更低的工作電壓，可以使用型號為SKY13330-397LF和SKY13345-368LF的絕緣硅器件。
SKY13323-378LF SPDT開關是一種pHEMT GaAs FET器件，能夠工作在0.3GHz至3.0GHz的頻率范圍，在3GHz時的典型插損為0.35dB，典型隔離度為27dB。這種器件采用6引腳、 1x1mm的MLPD封裝供貨。SKY13351-378LF SPDT開關的工作頻率范圍是2GHz至6GHz，在2.45GHz時的插損為0.35dB，隔離為24dB。該器件同樣采用1x1mm的MLPD封裝供貨。這種器件可以實現(xiàn)40ns的上升/下降時間，在2.45GHz時的輸入三階截取點(IP3)為+32dBm。SKY13317-373LF SP3T開關可以用來控制頻率從0.1GHz至6.0GHz的信號，在2.5GHz時的插損為0.5dB，在6GHz時的插損為0.9dB，在6GHz時的隔離度為25dB。這種開關采用1.5x1.5mm MLP封裝供貨，1dB壓縮點電平為+27dBm，非常適合高線性度應用。
隨著WiMAX網(wǎng)絡的推出，更多的設備可工作在WiMAX和蜂窩網(wǎng)絡上。WiMAX設備通常比相應的WiFi網(wǎng)絡設備發(fā)送更高的輸出功率，因此要求使用更高線性度的開關來避免信號失真。適合WiMAX使用的Skyworks器件包括SKY13370-374LF、SKY13299-321LF和 SKY13348-374LF。
電池技術、顯示屏、處理能力/速率方面的改進使得消費者在目前的智能手機移動平臺上享受更加豐富的體驗成為可能。能夠充分利用新一代器件的新應用層出不窮，而流式視頻和視頻集錦成為這些應用的突出特色。手持設備中，廣播電視接收面臨的一大挑戰(zhàn)是工作在極低頻率下天線的物理尺寸。移動電視和調頻收音機芯片組一般覆蓋數(shù)十MHz至800MHz的頻率范圍。鑒于天線物理尺寸與接收信號波長之間的傳統(tǒng)關系，具有調頻收音機或電視接收功能的手機需要依賴某些類型的射頻調諧功能，以便利用緊湊的嵌入式天線接收這些相對低頻率的信號。通過切入阻抗調整和阻抗匹配電路與組件，射頻開關可以用來調整嵌入式天線的電氣長度，使得采用這些嵌入式天線的手機能夠滿足消費者對合理器件尺寸下取得良好性能的期望。
調頻收音機是普及率最高的無線連接技術之一，如今已經(jīng)從僅具備接收功能發(fā)展為包含調頻發(fā)送功能的設備。車載和家用MP3/調頻收音機直通設備的爆炸式增長對調頻發(fā)送功能提出了更多的要求。一般情況下，SPDT開關用于選擇調頻接收和調頻發(fā)送功能。SKY13322-375LF(SP4T)和 SKY13309-370LF(SP3T)開關設計用于滿足移動電視應用的要求。SKY13323-378LF是調頻發(fā)送和接收應用的理想之選。
