- 射頻開關(guān)優(yōu)化智能手機(jī)信號
- 蜂窩手機(jī)中要求使用大量射頻開關(guān)
- 使用分立元件和芯片組進(jìn)行設(shè)計(jì)
不管是通過蜂窩還是移動連接網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備，為了確保高數(shù)據(jù)速率的無線通信，典型的智能手機(jī)(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(lán)色突出顯示了射頻開關(guān)部分)。
現(xiàn)代智能手機(jī)是一種復(fù)雜的設(shè)備，在手持式封裝中充分融合了計(jì)算和通信技術(shù)。這些設(shè)備必須通過直觀的操作界面提供各種與消費(fèi)者和業(yè)務(wù)有關(guān)的功能。電磁 (EM)場產(chǎn)生計(jì)算機(jī)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(shè)備面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。智能手機(jī)的復(fù)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(lǐng)域。
圖1：該模塊圖顯示了典型的智能手機(jī)架構(gòu)，除了多頻段蜂窩電話外，還包含嵌入式藍(lán)牙、GPS和調(diào)頻收音機(jī)功能。
觀察這種新型手機(jī)內(nèi)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(nèi)工作和共存所固有的復(fù)雜性。這種復(fù)雜的信號路由和射頻開關(guān)要求對智能手機(jī)設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。智能手機(jī)中的射頻開關(guān)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(fù)雜的單刀十?dāng)S(SP10T)配置，有時擲的數(shù)量甚至更高。開發(fā)所有這些開關(guān)的源動力是豐富的無線電通信技術(shù)以及智能手機(jī)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(guān)元件(圖2)。這些開關(guān)元件包括主天線發(fā)送/接收(T/R)開關(guān)，用于將主設(shè)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(wù)的收發(fā)器。另外，頻段模式開關(guān)主要用于將寬帶CDMA信號從功放的輸出引導(dǎo)至頻率選擇頻段雙工器。分集開關(guān)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(yīng)用中非常普遍，在智能手機(jī)應(yīng)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(jī)中要求使用大量射頻開關(guān)，分別用于天線切換、頻段切換和分集切換。
主天線開關(guān)的主要功能是將空中射頻無線電通信信號連接到通信調(diào)制解調(diào)器中的主要發(fā)送與接收功能模塊。目前這種天線開關(guān)的實(shí)現(xiàn)有多種多樣，從單刀七擲(SP7T)直到單刀十?dāng)S(SP10T)都有，具體取決于智能手機(jī)支持的射頻頻段數(shù)量。
主天線開關(guān)的任務(wù)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(shí)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(jìn)了向更高階調(diào)制方案的發(fā)展，比如正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制以及緊密相關(guān)的正交頻分多址(OFDMA)調(diào)制。這些復(fù)雜的調(diào)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(jìn)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(guān)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(guān)采用越來越復(fù)雜的設(shè)計(jì)拓?fù)鋪頋M足這些更加嚴(yán)格的線性要求。例如，在天線開關(guān)模塊中經(jīng)常集成有電荷泵，用于提升電池電壓以控制構(gòu)成開關(guān)的場效應(yīng)晶體管(FET)。這種方案通常是一種合理的折衷，因?yàn)樗鼫p少了對更大FET的需求，改善了開關(guān)插損和隔離性能，增強(qiáng)了開關(guān)壓縮點(diǎn)的魯棒性。開關(guān)壓縮點(diǎn)定義為增益被壓縮0.1dB或1dB的輸出功率點(diǎn)(P0.1dB或P1dB)。
根據(jù)系統(tǒng)分割方法，開關(guān)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(guān)模塊(ASM)。一些改進(jìn)的開關(guān)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(guān)/接收濾波器。不管是ASM或沒有GSM濾波器的開關(guān)，還是完整的發(fā)送/接收開關(guān)和SAW模塊，主通道開關(guān)總是包含緊湊模塊中的主開關(guān)和控制邏輯功能。
用于智能手機(jī)應(yīng)用的高擲數(shù)開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)硅CMOS和絕緣硅(SOI)技術(shù)開發(fā)。每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，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(guān)，其中包括用于多頻段操作的單刀十?dāng)S開關(guān)。舉例來說，型號為SKY13362-389-LF的單刀十?dāng)S (SP10T)開關(guān)支持多達(dá)5個3G蜂窩通信頻段。這種開關(guān)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(guān)具有5μs的切換速度，在UMTS模式下測試時的輸入3階截取點(diǎn)為+61dBm或更高，開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(yīng)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(yīng)用中，允許直接連接手機(jī)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(shè)計(jì)也可能從基于GPIO的控制接口轉(zhuǎn)為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可編程接口中，以適應(yīng)高擲數(shù)的天線開關(guān)模塊應(yīng)用。
隨著3G多模和多頻架構(gòu)的普及，對頻段/模式開關(guān)的需求越來越多。高線性的頻段和/或模式開關(guān)可以在寬帶碼分多址(WCDMA)信號通過天線開關(guān)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(guān)的要求取決于所選擇的功放架構(gòu)。在單模架構(gòu)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(guān)能夠?qū)CDMA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(gòu)場合，由于GSM 和WCDMA信號通過同一功放發(fā)送，模式開關(guān)必須能夠處理更大功率的飽和GSM調(diào)制信號。兩種功放架構(gòu)一般都有一條高頻段和一條低頻段放大器鏈。在單模架構(gòu)中，開關(guān)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(guān)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(shè)計(jì)中，這個功能可以合并為雙刀四擲(DP4T)開關(guān)或雙刀五擲(DP5T)開關(guān)，這樣的配置可以處理多達(dá)5個頻段。對這些開關(guān)的要求取決于開關(guān)必須處理的射頻信號電平。目標(biāo)是提供足夠的線性度，不給系統(tǒng)增加由開關(guān)引起的信號失真。
頻段開關(guān)可同時用于前置功放和后置功放，因?yàn)樵诙囝l段平臺中頻段會增加或合并。選擇pHEMT還是絕緣硅技術(shù)通常由實(shí)際控制電壓的大小決定。當(dāng)控制電壓為2.8V或以上時，pHEMT技術(shù)是一個很好的選擇。當(dāng)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(shù)更加合適。與高擲數(shù)的開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)、型號為SKY13309-370LF和SKY13317-373LF的SP3T開關(guān)以及型號為SKY14151-350LF的SP4T開關(guān)。
在新興的無線手機(jī)和數(shù)據(jù)卡應(yīng)用中，經(jīng)常會使用第二個或分集接收天線以及相關(guān)的接收機(jī)信號鏈。分集接收技術(shù)用于提高數(shù)據(jù)速率，特別是在數(shù)據(jù)吞吐量最關(guān)鍵的場合。基于成本和功耗的考慮，實(shí)用的分集技術(shù)只應(yīng)用于終端設(shè)備中的接收側(cè)，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(guān)。在大多數(shù)情況下，要求使用SP3T、SP4T或單刀五擲(SP5T)開關(guān)。與主要路徑天線使用的開關(guān)相比，這些射頻開關(guān)的承受功率要求要低一些，因?yàn)檫@些開關(guān)不需要通過很高功率的發(fā)送機(jī)信號。
Skyworks公司針對分集應(yīng)用設(shè)計(jì)了多款產(chǎn)品，SKY13322-375LF SP4T開關(guān)、SKY14153-368LF SP4T開關(guān)、SKY13345-368LF SP4T開關(guān)和SKY14151-350LF SP4T開關(guān)就是適合分集應(yīng)用的一些最流行器件。將來的產(chǎn)品中還將包括SP5T開關(guān)SKY13358-388LF。舉例來說，型號為 SKY13322-375LF的GaAs FET SP4T開關(guān)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(guān)的 1dB壓縮點(diǎn)(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(guān)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(guān)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(guān)端口。該開關(guān)可以處理功率達(dá)+34.5dBm的900MHz射頻和功率達(dá)+31.5dBm的 1.8GHz射頻信號。這是一種對稱型開關(guān)，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(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)中，MIMO可以通過選擇更強(qiáng)的接收信號或合并兩個獨(dú)立天線端接收到的信號提高總的接收信號強(qiáng)度，從而促進(jìn)數(shù)據(jù)速率的提高。在較為復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)中，MIMO可以用來在基站和手機(jī)之間同時傳送兩個(或多個)獨(dú)立數(shù)據(jù)流。第4代蜂窩標(biāo)準(zhǔn)LTE的推出將驅(qū)動更多的分集路徑配置，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)擴(kuò)大了便攜式設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐能力。
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在移動連接方面，開關(guān)對于信號路由和將不同無線信號連接到天線來說至關(guān)重要。智能手機(jī)中的藍(lán)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(guān)功能。近年來，智能手機(jī)類設(shè)備中移動連接的附加速率(更多功能以此速率添加到手機(jī)中)顯著提高。藍(lán)牙和調(diào)頻收音機(jī)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(shù)(藍(lán)牙、Wi-Fi和調(diào)頻收音機(jī))的芯片組的推出進(jìn)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(shí)現(xiàn)方式：使用分立元件和芯片組進(jìn)行設(shè)計(jì)，或通過第三方模塊制造商提供。不管實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)如何，在智能手機(jī)的移動連接側(cè)存在射頻開關(guān)的多種應(yīng)用。
圖3：該圖顯示了面向智能手機(jī)的一些移動連接應(yīng)用。
在嵌入式WiFi應(yīng)用場合，手機(jī)制造商的頻段范圍將決定射頻開關(guān)的要求。如果限于2.4GHz頻段內(nèi)工作，一般要求使用SPDT或SP3T的開關(guān)器件，具體取決于藍(lán)牙信號是否存在。開關(guān)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(guān)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(yīng)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(guān)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(yīng)用。選用建議包括SKY13323-378LF SPDT和SKY13351-378LF SDPT(適合5.8GHz頻段)開關(guān)、SKY13317-373LF SP3T開關(guān)(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(guān)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(guān)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(shí)現(xiàn)40ns的上升/下降時間，在2.45GHz時的輸入三階截取點(diǎn)(IP3)為+32dBm。SKY13317-373LF SP3T開關(guān)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(guān)采用1.5x1.5mm MLP封裝供貨，1dB壓縮點(diǎn)電平為+27dBm，非常適合高線性度應(yīng)用。
隨著WiMAX網(wǎng)絡(luò)的推出，更多的設(shè)備可工作在WiMAX和蜂窩網(wǎng)絡(luò)上。WiMAX設(shè)備通常比相應(yīng)的WiFi網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(guān)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(shù)、顯示屏、處理能力/速率方面的改進(jìn)使得消費(fèi)者在目前的智能手機(jī)移動平臺上享受更加豐富的體驗(yàn)成為可能。能夠充分利用新一代器件的新應(yīng)用層出不窮，而流式視頻和視頻集錦成為這些應(yīng)用的突出特色。手持設(shè)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(diào)頻收音機(jī)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(guān)系，具有調(diào)頻收音機(jī)或電視接收功能的手機(jī)需要依賴某些類型的射頻調(diào)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(diào)整和阻抗匹配電路與組件，射頻開關(guān)可以用來調(diào)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(jī)能夠滿足消費(fèi)者對合理器件尺寸下取得良好性能的期望。
調(diào)頻收音機(jī)是普及率最高的無線連接技術(shù)之一，如今已經(jīng)從僅具備接收功能發(fā)展為包含調(diào)頻發(fā)送功能的設(shè)備。車載和家用MP3/調(diào)頻收音機(jī)直通設(shè)備的爆炸式增長對調(diào)頻發(fā)送功能提出了更多的要求。一般情況下，SPDT開關(guān)用于選擇調(diào)頻接收和調(diào)頻發(fā)送功能。SKY13322-375LF(SP4T)和 SKY13309-370LF(SP3T)開關(guān)設(shè)計(jì)用于滿足移動電視應(yīng)用的要求。SKY13323-378LF是調(diào)頻發(fā)送和接收應(yīng)用的理想之選。
