A méret, a tömeg és a fogyasztás optimalizálása nagy teljesítményű rádiófrekvenciás jelláncokban

A nagy teljesítményű vezeték nélküli kapcsolatok iránti kereslet folyamatosan nő egyre több felhasználási területen az okostelefonoktól a hordozható számítógépeken és táblagépeken át a viselhető eszközökig, drónokig és hozzáférési pontokig, valamint az intelligens otthon részét képező és a dolgok internetére (IoT) kapcsolható készülékekig. Az ilyen eszközök tervezői számára lényeges megkülönböztető tényező a végfelhasználói élmény, amelyet nagyrészt a vezeték nélküli jel minősége és megbízhatósága, az átviteli sebesség, valamint az akkumulátor üzemideje határoz meg. A készülék mérete és tömege szintén fontos megkülönböztető jegy, különösen a viselhető eszközök esetében. A tervezők részéről e paraméterek optimalizálása a rádiófrekvenciás (RF) jellánc minden szempontjának alapos vizsgálatát igényli, amely mind a szakértők, mind a rádiófrekvenciás területen kezdők számára olyan feladatot jelenthet, amelytől elbátortalanodnak.

Ez a cikk áttekinti a rádiófrekvenciás jellánc különböző részeit, és leírja, hogy hogyan járulnak hozzá a nagy teljesítményű megoldásokhoz az antennaillesztő kapcsolók (antenna tuning switch), az antenna-keresztkapcsolók (RF cross switch), a – jelcsökkenés (elhalkulás vagy a magyarban is elterjedt angol szóval fading [e.: féding]) ellen védő – antennaváltó (antenna diversity) kapcsolók, a kis zajú erősítők (LNA) és a kis zajú rádiófrekvenciás tranzisztorok, valamint megvizsgál néhány lehetséges vezérlési illesztőfelületet. Ezután példaként bemutatja az Infineon néhány témába vágó alkatrészét, és ismerteti, hogyan segítik azok a nagy teljesítményű rádiófrekvenciás készülékek tervezését, miközben megfelelnek a méretre, a tömegre és a fogyasztásra (SWaP) vonatkozó egyre szigorúbb követelményeknek is. A cikket a kis méretű rádiófrekvenciás készülékekbe szánt kétféle TSNP (thin small non-leaded package – vékony, kis méretű, láb nélküli) tokozás összehasonlítása zárja.

Az antennákkal kapcsolatos alapvető tudnivalók

A mai, internetre kapcsolódó eszközökben nagyon lényeges az antennák teljesítménye. Az antennaillesztés azt teszi lehetővé, hogy egy antenna több frekvenciasávban is jó teljesítményt nyújtson, ami hozzájárulhat a kisebb méretű és jobb hatásfokú készülékek létrehozásához. A tervezők a rádiófrekvenciás jellánc antennaillesztő szakaszában kapcsolókkal növelhetik maximálisra az antennára átvitt energiát, és az adott készülék követelményeinek megfelelően optimalizálhatják a teljesítményt (1. ábra).

1. ábra: Az antennaillesztő részen használt antennaillesztő kapcsolók az antenna teljesítményének optimalizálására szolgálnak (kép: Infineon)

Antenna-keresztkapcsolók

Az antenna illesztése számos felhasználási területen szükséges, de nem elégséges feltétel az optimális teljesítmény eléréséhez. Ezekben az esetekben egynél több antennára lehet szükség. A jellánc kiegészíthető egy antenna-keresztkapcsolóval, amely lehetővé teszi az adott esetben – az adóteljesítménynek vagy a vevő érzékenységének növelésével – a legjobb teljesítményt nyújtó antenna kiválasztását (2. ábra). Az antenna-keresztkapcsolóknak a rendszer hatékony működése érdekében hatékony és gyors kapcsolást kell biztosítaniuk, hogy hasznos antennafelcseréléseket tegyenek lehetővé, valamint nagy szigetelési ellenállásúaknak és kis beiktatási veszteségűeknek kell lenniük, és az előállított felharmonikusaiknak kis értékűeknek kell lenniük.

2. ábra: Az antenna-keresztkapcsoló használata lehetővé teszi az adáshoz vagy vételhez legjobb teljesítményű antenna kiválasztását (kép: Infineon)

Antennaváltó kapcsolók és kis zajú erősítők

Néha a legjobb antennára váltás még mindig nem elegendő a szükséges sávszélesség eléréséhez. Ilyen esetekben a rádiófrekvenciás jelláncot kiegészítik egy további csatornával, az úgynevezett másodútvonallal (diversity path). A több antenna közti váltás javítja az adás és a vétel minőségét és megbízhatóságát. Az antennaváltó kapcsolókat számos felhasználási területen használják a wifihálózati berendezésektől kezdve az okostelefonokig és táblagépekig. Ezek a kapcsolók a jel vételénél jelentkező a többutas interferencia kompenzálására használhatók. A vevő figyeli a bejövő jeleket, és a relatív jelerősség alapján váltogat az antennák között. Az antenna-keresztkapcsolókhoz hasonlóan az antennaváltó kapcsolóknak is nagy szigetelési ellenállásúaknak és kis beiktatási veszteségűeknek, az előállított felharmonikusaiknak pedig kis értékűeknek kell lenniük.

A rádiófrekvenciás jellánc egy másik kulcsfontosságú részét képezik a kis zajú erősítők (LNA) (3. ábra). Az antennakezelés különböző módjaihoz hasonlóan a kis zajú erősítők használata is javíthatja a vétel minőségét, és növelheti az adatátviteli sebességet. A kis zajú erősítők kaphatók állandó erősítéssel vagy több erősítési lépcsővel, amelyekkel finomhangolható a teljesítmény. A monolit mikrohullámú integrált áramkörös (MMIC) technikán alapuló kis zajú erősítőket hagyományosan gallium-arzenid (GaAs) félvezető anyagból gyártották. A közelmúltban kifejlesztett szilícium-germánium (SiGe) anyagú kis zajú erősítő MMIC-k alacsonyabb költségek mellett képesek támogatni a szükséges frekvenciákat. A kis zajú erősítők rendkívül kis méretű eszközök, amelyek könnyen helyezhetők el nagyon kis méretű tokozásban. Ezenkívül a kis zajú erősítő MMIC-k elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni beépített védelemmel kaphatóak, és kis fogyasztásuknak köszönhetően jól használhatók mobil és viselhető eszközökben, ahol fontos szempont a méret, a tömeg és a fogyasztás.

3. ábra: Az antennaváltó kapcsolók és a kis zajú erősítők használata javíthatja a vételi minőséget, és növelheti az adatátviteli sebességet (kép: Infineon)

Vezérlési illesztőfelületek

Az antennaillesztő kapcsolók, antenna-keresztkapcsolók és antennaváltó kapcsolók és a rendszervezérlő egység között általában szükség van valamilyen illesztőfelületre. Az egyszerű készülékekben gyakran egy általános célú be- és kimeneti (GPIO) illesztőfelületet használnak. A GPIO az IC-nek egy olyan szoftverrel vezérelhető kötetlen lába, amely szükség szerint programozható bemenetként, kimenetként vagy mindkettőként.

Összetettebb vezérlési igények esetén általában a MIPI (mobil ipari processzorillesztő felület) szabványt használják. A MIPI rádiófrekvenciás bemeneti (MIPI RFFE) vezérlési illesztőfelület a nagy teljesítményű rádiófrekvenciás jelláncokban való használatra lett optimalizálva, hogy gyors, félautomatikus és kiterjedt vezérlési funkciókat tegyen lehetővé. A MIPI RFFE sínenként maximum 19 eszközt tartalmazhat (legfeljebb 4 vezető és 15 követő eszközt). Kis zajú erősítőkhöz, antennaillesztő kapcsolókhoz, kapcsolókhoz, teljesítményerősítőkhöz és szűrőkhöz lett tervezve. A MIPI RFFE megkönnyítheti a rádiófrekvenciás jelláncok tervezését, beállítását és összeépítését, és lehetővé teszi a különböző beszállítóktól származó alkatrészek használatát.

MIPI útján vezérelhető kis zajú erősítő

A tervezők a nagy teljesítményű rádiófrekvenciás jelláncokhoz használhatják az Infineon BGA9H1MN9E6329XTSA1 jelű kis zajú erősítőjét. A MIPI illesztőfelület a rádiófrekvenciás környezet változó körülményeihez aktívan alkalmazkodva képes a 8 erősítési mód és a 11 előfeszítési mód vezérlésére, hogy növelje a rendszer dinamikatartományát (4. ábra). Az 1,4 GHz és 2,7 GHz közötti 3GPP-sávokban (elsősorban a B1, B3, n41 és B21 sávban) történő használatra tervezték. Az eszköz 0,6 dB zajszintet és akár 20,2 dB erősítést képes biztosítani 5,8 mA áramerősség mellett. 1,1 V és 2,0 V közötti tápfeszültségről működik, és a JEDEC47/20/22 szabvány alapján ipari felhasználásra alkalmas minősítésű.

4. ábra: Ennek a kis zajú erősítőnek a MIPI illesztőfelületével 8 erősítési mód és 11 előfeszítési mód vezérelhető a teljesítmény optimalizálása érdekében (kép: Infineon)

Az eszköz számos olyan jellemzővel rendelkezik, amelyek segítenek megfelelni a méretre, a tömegre és a fogyasztásra vonatkozó, kihívást jelentő követelményeknek, többek között az alábbiakkal:

• Méret: a kilenclábú TSNP-9 tokozás mérete 1,1 mm × 1,1 mm, és 0,375 mm-es magassága miatt jól használható olyan készülékekben, ahol szűkös a hely.
• Tömeg: a TSNP-9 tokozást olyan felhasználásra optimalizálták, ahol követelmény a kis tömeg.
• Fogyasztás: a BGA9H1MN9E6329XTSA1 kis zajú erősítő átvezetési árama mindössze 2 µA, ami megnöveli az akkumulátor üzemidejét.

Antennaváltó kapcsoló

Az Infineon BGS12WN6E6327XTSA1 jelű, széles sávú egypólusú, két áramkörös (SPDT) antennaváltó kapcsolója 160 ns jellemző kapcsolási sebességgel, valamint beépített vezérlőlogikával (dekóder) és elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelemmel rendelkezik (5. ábra). A wifi-, Bluetooth- és ultraszéles sávú rádiófrekvenciás jelláncokban való használatra tervezett eszköz két portjának bármelyike csatlakoztatható egy másodantennához (diversity antenna), és 1 mW-ra vonatkoztatva (dBm) akár 26 dB teljesítményt is képes kezelni. MOS technológiával készül, és a GaAs eszközök teljesítményét nyújtja, de használata esetén nincs szükség külső egyenáram-leválasztó kondenzátorokra a rádiófrekvenciás portokon, hacsak nem várható külső egyenfeszültség ráadása.

A lapka CMOS logikát tartalmaz, amelyet egyetlen CMOS- vagy TTL-kompatibilis vezérlőjel vezérel. Nagy a portok közötti szigetelési ellenállása, és 9 GHz-ig kicsi a beiktatási vesztesége. A méret és a tömeg csökkentése érdekében az eszköz 0,7 mm × 1,1 mm-es, 0,375 mm legnagyobb magasságú PG-TSNP-6-10 tokozásban kerül forgalomba. Akár 4,2 V tápfeszültségről is képes működni, 36 µA jellemző tápárammal és 2 nA vezérlőárammal, így növelve az elemről vagy akkumulátorról működő készülékek üzemidejét.

5. ábra: A BGS12WN6E6327XTSA1 egypólusú, két áramkörös (SPDT) antennaváltó kapcsoló 160 ns alatt képes kapcsolni, és beépített vezérlőlogikával és elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelemmel van ellátva (kép: Infineon)

Antenna-keresztkapcsoló

Az Infineon BGSX22G6U10E6327XTSA1 jelű rádiófrekvenciás CMOS antenna-keresztkapcsolóját kifejezetten GSM, WCDMA, LTE és 5G készülékekhez tervezték. Ennek a kétpólusú, két áramkörös (DPDT) kapcsolónak 7,125 GHz-ig terjedő frekvenciákon kicsi a beiktatási vesztesége, kis értékű felharmonikusokat állít elő, és a rádiófrekvenciás portok között nagy a szigetelési ellenállása. Az eszköz 1,3 µs-es kapcsolási ideje lehetővé teszi az 5G szondázó referenciajelet (SRS, sounding reference signal) használó készülékek támogatását. Az eszköz tartalmaz egy GPIO-vezérlő illesztőfelületet is, és 1,6 V és 3,6 V közötti tápfeszültségről működik. A PG-ULGA-10 tokozás mérete 1,1 mm × 1,5 mm, vastagsága 0,60 mm, és a hely- és tömegkorlátozott készülékekhez van optimalizálva. Ennek a kis fogyasztású eszköznek a jellemző tápárama 25 µA, a vezérlőárama pedig 2 nA.

Antennaillesztő kapcsoló

A maximum 7,125 GHz-en működő eszközökhöz optimalizált egypólusú, négy áramkörös (SP4T) antennaillesztő kapcsolót igénylő készülékekhez használható az Infineon BGSA14M2N10E6327XTSA1 jelű terméke. A négy 0,85 Ω nyitóirányú ellenállású portot nagy jósági tényezőjű (Q értékű) illesztőeszközökhöz tervezték. A MIPI RFFE digitális vezérlési illesztőfelület leegyszerűsíti a rádiófrekvenciás jelláncokba való beépítést. A 45 V-os csúcsfeszültség-kezelési képessége és a lezárt (azaz megszakított) állapotban rendkívül kis, 160 fF (femtofarad) értékű kapacitása alkalmassá teszi az eszközt arra, hogy jelentős veszteségek nélkül kapcsoljon tekercseket (induktivitásokat) és kondenzátorokat rádiófrekvenciás antennaillesztő áramkörökben (6. ábra). Az 1,3 mm × 0,95 mm-es, 0,375 mm magas TSNP-10-9 tokozás és a 22 µA áramfelvétel együttesen alkalmassá teszi ezt a terméket az olyan eszközökben való használatra, ahol meg kell felelni a méretre, a tömegre és a fogyasztásra vonatkozó, kihívást jelentő követelményeknek.

6. ábra: A BGSA14M2N10E6327XTSA1 hatékonyan képes tekercseket és kondenzátorokat kapcsolni a rádiófrekvenciás antennaillesztő áramkörökben (kép: Infineon)

Rádiófrekvenciás tranzisztorok

A nagy teljesítményű rádiófrekvenciás jellánc az adó-vevő és a rádiófrekvenciás erősítő fokozattal kezdődik. Ehhez olyan rádiófrekvenciás teljesítménytranzisztorokra van szükség, mint az Infineon BFP760H6327XTSA1 jelű, széles sávú, rádiófrekvenciás, heteroátmenetes bipoláris npn tranzisztora (HBT), amelynek a következő jellemzői vannak:

• kis, 0,95 dB-es legkisebb zajszint (NF_min) 5,5 GHz-en, 3 V tápfeszültség és 10 mA áramfelvétel mellett
• nagy, 16,5 dB-es legnagyobb teljesítménynyereség (G_ms) 5,5 GHz-en, 3 V tápfeszültség és 30 mA áramfelvétel mellett
• nagy linearitás magas, +27 dBm-re eső kimenetre leképzett harmadrendű torzítási metszésponttal (OIP₃) 5,5 GHz-en, 3 V tápfeszültség és 30 mA áramfelvétel mellett

Ez a teljesítménytranzisztor ipari felhasználásra alkalmas minősítésű. Vezeték nélküli és műholdas kommunikációs rendszerekben, GPS navigációs eszközökben, mobil multimédiás eszközökben és más nagy teljesítményű rádiófrekvenciás készülékekben való felhasználásra tervezték.

TSNP tokozási változatok

A TSNP tokozások kis mérete pontos geometriai tűréseket igényel a nyomtatott áramköri lapon, ezért nem forrasztási maszkkal meghatározott (NSMD, non-solder mask defined) forraszpont-kialakítást kell hozzájuk használni. A nem forrasztási maszkkal meghatározott forraszpont-kialakítás esetében a forraszpont tűréshatárai kisebbek, mint a forrasztási maszkkal meghatározott forraszpontokéi. A nem forrasztási maszkkal meghatározott forraszpont-kialakítás esetén a nyomtatott áramköri lapon lévő vezetőcsíkok legfeljebb 100 µm szélesek lehetnek. Általában a csak alsó érintkezőkkel ellátott TSNP tokozásokhoz, amilyen a BGA9H1MN9E6329XTSA1 kis zajú erősítő, a BGS12WN6E6327XTSA1 antennaváltó kapcsoló és a fent leírt BGSA14M2N10E6327XTSA1 antennaillesztő kapcsoló tokozása, a nyomtatott áramköri lapok forraszpontjainak kialakítása úgy történik, hogy átmásolják a tokozáson kialakított érintkezők körvonalát, és 25 µm-t hozzáadnak ahhoz a forraszpontok minden oldalán.

A tervezőknek tisztában kell lenniük azzal, hogy a TSNP tokozás forraszpontjai többféle kialakításúak lehetnek. Van a hagyományos forraszpont, és vannak optikai lábvég-ellenőrzésre (LTI, lead tip inspection) tervezett forraszpontok (7. ábra). Az LTI-eszközök nagyobb szerelési felületet igényelnek, mert a nyomtatott áramköri lapon lévő forraszpontnak legalább 400 μm-rel túl kell nyúlnia a tokozás szélén (7. ábra). Miközben az LTI kialakítás lehetőséget ad az optikai ellenőrzésre, nem biztos, hogy alkalmas a legkisebb megoldási méretet igénylő, a méret, tömeg és fogyasztás szempontjából kritikus kialakításokhoz.

7. ábra: Léteznek hagyományos forraszpontokat (balra), illetve nagyobb, optikai lábvég-ellenőrzésre optimalizált (LTI) forraszpontokat használó (jobbra) TSNP tokozások (kép: Infineon)

Összegzés

A kis méret, tömeg és fogyasztás (SWaP) számos hordozható és viselhető vezeték nélküli eszközben fontos szempont az antennaillesztő kapcsolók, antenna-keresztkapcsolók, antennaváltó kapcsolók, kis zajú erősítők és kis zajú rádiófrekvenciás tranzisztorok kiválasztásakor. Mint látható, az Infineon a tervezők számára a nagy teljesítményű rádiófrekvenciás jelláncot tartalmazó készülékekben használható eszközök széles választékát kínálja, amelyek megfelelnek a méretre, a tömegre és a fogyasztásra vonatkozó magas szintű igényeknek is. Ezen eszközök használatával a tervezők optimalizálhatják a rádiófrekvenciás jellánc megbízhatóságát és sávszélességét, valamint megnövelhetik az akkumulátor üzemidejét.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Use High Accuracy Digital Temperature Sensors in Health Monitoring Wearables (Nagy pontosságú digitális hőmérséklet-érzékelők használata a viselhető egészségfigyelő eszközökben)
2. Wireless Technology Overview for IoT (A vezeték nélküli technika áttekintése a dolgok internetéhez (IoT) való használat szempontjából)