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三分鐘告訴你!如何應對多頻手機中的天線問題
發表時間:2020-08-06

  中心論題:

多頻手機對開關技術要求

射頻開關的設計要求

解決方案:

射頻開關要求具有低插損、高隔離和線性度特點

使用UltraCMOS制造的開關應對多頻手機體積縮小的挑戰

現在手機中的射頻信號通道越來越擁擠。蜂窩電話已經從雙頻向三頻甚至四頻快速發展。這些復雜手機還需要處理來自外圍無線設備的各種信號,如藍牙、Wi-Fi和GPS。而隨著WiMAX和LTE(4G)的加入,這種復雜度將越來越高。在移動電話中,天線開關控制著天線接入所有這些無線信號,實質上起著網守的作用。

多頻手機設計面臨著很大的挑戰,因為所有這些信號工作在不同的帶寬,而且它們都需要接入天線。為了取得最優的性能和外形尺寸,它們最好能通過單個射頻開關接入天線。對開關制造商來說,這意味著從單刀四擲(SP4T)相應發展到SP7T甚至SP9T配置才能處理越來越多的信號。這種先進的開關需要能夠處理由寬帶CDMA(WCDMA)和低功率I/O無線設備帶來的額外移動通信頻段的接入。

可以預期的是,手機復雜性會越來越高,要求能夠處理更多頻段的信號。市場將至少標準化七個頻段,并且要留出一個空間給第八個頻段(LTE)使用。即使今后發生合并,射頻電路中由于合并留出的空間也會很快被越來越流行的、也需要接入天線的外圍無線電設備和功能所擠占。

為了支持互聯網、多媒體和視頻,3G移動手機市場已經轉向WCDMA。相應的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術。為了滿足全球需求,目前的GSM手機最多有4個發送(Tx)和4個接收(Rx)通道。增加WCDMA后每個新的頻段都要增加另外一個Tx/Rx通道。目前的移動手機設計傾向于采用4xGSM(850、900、1800、1900MHz)和3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此,手機復雜度已經達到空前的水平。

多頻手機中的任何設計折中都要求滿足或超過所有標準提到的性能等級。一般情況下,多模多頻的移動手機使用單個功放模塊來處理四頻GSM/EDGE信號。另一方面,每個WCDMA頻段需要使用它自己的獨立功放。因此,具有一個WCDMA頻段的四頻GSM手機至少需要一個單刀六擲(SP6T)開關來管理所有的信號通道。當然,設計師也可以使用一個雙工器和兩個SP3T(流行的GaAs配置),但與使用單個SP6T開關相比這種方法將產生較高的插入損耗。

射頻設計師需要特別關注插入損耗,因為它直接影響功放的功率附加效率(PAE)。GSM功放的最大飽和功率一般是3W,平均PAE是55%。必需達到這個效率水平才能確保較長的電池使用時間,因為手機總電流的一半用在功放上。鑒于此,設計師需要將保持功放的PAE定在最高優先等級。一些早期的多頻WCDMA/GSM手機使用獨立的WCDMA和GSM信號鏈,并采用獨立的天線和無線設計。盡管這種方案在原型和第一代設計中非常有效,但市場需要具有更高性價比且節省空間的方案。顯然,業界要求集成式ASM能夠處理7個甚至9個信號。

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圖1:IP3與器件的三階交調失真(IMD3)性能有關。

針對這個需求,業界開發出了SP7T開關來支持具有1個WCDMA和4個GSM頻段的手機架構。例如PE42672就是采用UltraCMOS工藝技術開發的單片SP7T,它能提供+68dBm的三階交調截取點(IP3),這個線性度性能值可以滿足3GPP IMD3規范兼容的手機設計和高效的射頻前端要求。IP3與設備的三階交調失真(IMD3)性能相互關聯,這些相位上的指標如圖1所示。

SP6T開關是開關架構方面的最新成果之一。經過配置它可以處理多個頻段的WCDMA、GSM和外圍無線設備。例如圖2所示的開關可以處理三頻段的WCDMA,并提供到雙工器和3個功放模塊的通道(每個WCDMA頻段要求使用自己的功放和雙工器)。這個開關還能處理只有單個功放模塊與之相連的四頻GSM/EDGE(包含2個功放芯片)。從實際效果看,這個設備必須通過受簡單解碼器控制的單個開關傳送5個高功率信號。

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圖2:SP9T正在處理三頻段的WCDMA,它提供了到達雙工器和三個功放模塊的通道。

隨著多頻段架構的普及,對功放和相關濾波器的數量提出了嚴格的要求。事實上,對功放的技術要求沒有變化,但手機設計需要使用更多的功放。因此真正改變的是需要一個特別高效的方法將所有射頻信號傳送給天線-單片開關。

手機中增加的頻段越多,對開關的技術要求就越高,而且WCDMA的線性度和諧波要求對器件性能也帶來了很大的壓力。通過利用UltraCMOS制造工藝的線性優勢,圖2中的單片PE42693 SP6T可以保持其前代SP7T開關+68dBm的IP3,而且IMD3性能超過業界標準的-105dBm(圖1)。

SP6T功能可以用GaAs器件實現,但它需要額外的器件,例如CMOS譯碼器和驅動器,這將極大地影響所需I/O的數量。對要求高度線性和隔離的5個高功率端口來說挑戰尤其艱巨,因為I/O數量越多,線的耦合和粘合的可能性就越大。

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圖3:UltraCMOS SP9T不需要片外ESD器件或線性度增強匹配器件。黃框代表譯碼器,藍框代表ESD,綠框代表電壓生成器。

隨著多頻段手機越來越流行,對高集成度、小型天線開關的需求也越來越迫切。UltraCMOS SP7T開關現在已經開始批量生產,SP9T也在2007年底投入批量生產。在外形方面,GaAs SP7T為1.6x1.5mm,而采用SOS工藝SP7T開關只有1.2x1.0mm,面積縮小了一半。目前的GaAs E/D pHemt或J-pHemt SP9T開關外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相比,采用UltraCMOS 0.5μm工藝制造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm(圖3),它不需要片外ESD器件和性能增強匹配器件。UltraCMOS發展規劃預計0.25μm版本的SP9T尺寸將達到1.32x1.29mm。

縮小尺寸的另外一種方式是將開關倒裝在結實的低溫共燒陶瓷(LTCC)基底上,無需占用以前線綁定所需的面積。目前晶圓級芯片尺寸封裝正在開發中,它所生產的UltraCMOS開關可以如同標準表貼封裝那樣處理。

在使用UltraCMOS制造的開關后,設計師可以省去其它開關技術要用到的譯碼器、隔直電容和雙工器。配合芯片尺寸封裝技術,這種工藝可以顯著減小ASM的尺寸和厚度。另外,其固有的ESD容差和單片CMOS接口可以簡化實現和使用。UltraCMOS工藝的極高良品率和增加開關方向的靈活性可以使未來新一代的手機具有更高的集成度,能夠解決多頻段手機體積縮小所帶來的挑戰。

多模多頻段GSM/WCDMA手機的技術要求已經超過了傳統RFIC技術(如GaAs)的極限。受這些超高性能要求影響最嚴重的是天線和射頻開關。

雖然本文主要討論的是天線開關,但關鍵是要認識到對系統天線的顯著影響。天線必須能夠高效輻射從800到2200MHz的信號,在微型天線允許的外形尺寸下這是一個相當艱巨的任務。目前業界正在尋找新的技術來解決這個問題,考慮到天線匹配問題,可能使用開關和集總調諧元件。總之,射頻開關必須能夠切換最多9條大功率射頻信號通道,并且要具有低插損、高隔離和線性度。


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