วิธีเพิ่มประสิทธิภาพ SWaP ในสายสัญญาณ RF ประสิทธิภาพสูง

ความต้องการการเชื่อมต่อไร้สายประสิทธิภาพสูงยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในแอพพลิเคชั่นที่หลากหลาย ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงแล็ปท็อป แท็บเล็ต อุปกรณ์สวมใส่ โดรน จุดเข้าใช้งาน และเครื่องใช้ในบ้านอัจฉริยะและอินเทอร์เน็ตออฟธิงส์ (IoT) สำหรับนักออกแบบอุปกรณ์เหล่านี้ ความแตกต่างที่สำคัญคือประสบการณ์ของผู้ใช้ปลายทาง ซึ่งส่วนใหญ่จะพิจารณาจากคุณภาพ ปริมาณงาน และความน่าเชื่อถือของสัญญาณไร้สาย ตลอดจนอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์ยังเป็นตัวสร้างความแตกต่างที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์สวมใส่ได้ สำหรับนักออกแบบ การเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับพารามิเตอร์เหล่านี้จำเป็นต้องมองอย่างใกล้ชิดในทุกแง่มุมของห่วงโซ่สัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ซึ่งอาจเป็นปัญหาที่น่ากลัวสำหรับทั้งผู้เชี่ยวชาญและผู้เริ่มต้นใช้งานคลื่นความถี่วิทยุ

บทความนี้ทบทวนส่วนต่างๆ ของสายสัญญาณ RF และอธิบายว่าเครื่องรับสัญญาณเสาอากาศ, สวิตช์กากบาท RF, สวิตช์ความหลากหลายของเสาอากาศ, แอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) และทรานซิสเตอร์ RF เสียงรบกวนต่ำมีส่วนช่วยในการแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร ควบคุมตัวเลือกอินเทอร์เฟซ แล้วนำเสนอส่วนประกอบที่เป็นแบบอย่างจากอินฟิเนียน และแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสนับสนุนอย่างไรการออกแบบ RF ประสิทธิภาพสูง ในขณะที่ตอบสนองความต้องการด้านขนาด น้ำหนัก และกำลัง (SWaP) ที่มีความต้องการเพิ่มมากขึ้น ปิดโดยการเปรียบเทียบสองตัวเลือกขนาดเล็กที่ไม่มีสารตะกั่ว (TSNP) สำหรับโซลูชัน RF ขนาดกะทัดรัด

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับเสาอากาศ

ประสิทธิภาพของเสาอากาศเป็นสิ่งสำคัญในอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อในปัจจุบัน การปรับจูนสามารถทำให้เสาอากาศเดี่ยวมีประสิทธิภาพที่ดีในหลายย่านความถี่ และช่วยให้มีโซลูชันที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น นักออกแบบสามารถใช้สวิตช์ในส่วนจูนเนอร์เสาอากาศของสายสัญญาณ RF เพื่อเพิ่มการถ่ายโอนพลังงานไปยังเสาอากาศและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานตามความต้องการเฉพาะของแอพพลิเคชั่น (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: สวิตช์ปรับเสาอากาศใช้ในส่วนจูนเนอร์เพื่อปรับประสิทธิภาพของเสาอากาศให้เหมาะสม (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

สวิตช์ข้าม RF

ในหลาย ๆ การใช้งาน การปรับเสาอากาศเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นแต่ไม่เพียงพอสำหรับประสิทธิภาพสูงสุด ในกรณีดังกล่าว อาจต้องใช้เสาอากาศมากกว่าหนึ่งเสาอากาศ สามารถเพิ่ม RF cross switch ลงในสายสัญญาณเพื่อให้สามารถเลือกเสาอากาศที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุดในสถานการณ์ที่กำหนดโดยการเพิ่มกำลังส่งหรือความไวของตัวรับ (รูปที่ 2) สวิตช์ไขว้ RF จำเป็นต้องมีการสลับที่มีประสิทธิภาพและรวดเร็วเพื่อรองรับการสลับสายอากาศที่มีประโยชน์ และจำเป็นต้องมีการแยกสูง การสูญเสียการแทรกต่ำ และสร้างฮาร์โมนิกต่ำเพื่อรองรับการทำงานของระบบที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้

รูปที่ 2: การใช้ RF cross switch ช่วยให้สามารถเลือกเสาอากาศที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดสำหรับอัปลิงค์หรือดาวน์ลิงค์ (ที่มาของภาพ: Infineon)

สวิตช์ความหลากหลายและ LNAs

บางครั้ง การเปลี่ยนไปใช้เสาอากาศที่ดีที่สุดก็ยังไม่เพียงพอต่อการสนับสนุนแบนด์วิดท์ที่ต้องการ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ช่องเพิ่มเติมที่เรียกว่าเส้นทางความหลากหลายจะถูกเพิ่มไปยังสายสัญญาณ RF ความหลากหลายของเสาอากาศช่วยเพิ่มคุณภาพและความน่าเชื่อถือของการส่งและรับ สวิตช์หลากหลายใช้ในแอพพลิเคชั่นต่างๆ ตั้งแต่อุปกรณ์เครือข่าย Wi-Fi ไปจนถึงสมาร์ทโฟนและคอมพิวเตอร์แท็บเล็ต สวิตช์เหล่านี้สามารถใช้เพื่อชดเชยการรบกวนแบบหลายเส้นทางในการรับสัญญาณ เครื่องรับจะตรวจสอบสัญญาณที่เข้ามาและสลับไปมาระหว่างเสาอากาศตามความแรงของสัญญาณสัมพัทธ์ ในกรณีของสวิตช์ RF cross สวิตช์ความหลากหลายจำเป็นต้องมีการแยกสูง การสูญเสียการแทรกต่ำ และสร้างฮาร์โมนิกต่ำ

LNA เป็นอีกส่วนสำคัญของสายสัญญาณ RF (รูปที่ 3) เช่นเดียวกับวิธีการต่างๆ ในการจัดการเสาอากาศ การใช้ LNA สามารถปรับปรุงคุณภาพการรับสัญญาณและเพิ่มอัตราข้อมูลได้ LNA พร้อมใช้งานโดยมีอัตราขยายคงที่หรือมีหลายขั้นตอนที่สามารถใช้เพื่อปรับแต่งประสิทธิภาพได้ LNA ที่ใช้เทคโนโลยีวงจรรวมไมโครเวฟแบบเสาหิน (MMIC) มีการผลิตโดยใช้เทคโนโลยีแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซิลิคอนเจอร์เมเนียม (SiGe) LNA MMICs ที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ สามารถรองรับความถี่ที่จำเป็นได้ในราคาที่ถูกลง LNA เป็นอุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดสูงซึ่งสามารถรวมเข้ากับบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็กมากได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ LNA MMIC ยังมีการป้องกันแบบบูรณาการจากการปล่อยไฟฟ้าสถิต (ESD) และการใช้พลังงานต่ำทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์สวมใส่ที่ SWaP เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญ

รูปที่ 3: การใช้สวิตช์ความหลากหลายและ LNA สามารถช่วยปรับปรุงคุณภาพการรับสัญญาณและเพิ่มอัตราข้อมูล (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

อินเทอร์เฟซการควบคุม

สวิตช์ปรับเสาอากาศ สวิตช์ข้าม และสวิตช์ความหลากหลายโดยทั่วไปต้องการอินเทอร์เฟซกับตัวควบคุมระบบ ในการใช้งานอย่างง่าย มักใช้อินเทอร์เฟซอินพุต/เอาต์พุตทั่วไป (GPIO) GPIO เป็นพินสัญญาณที่ควบคุมด้วยซอฟต์แวร์ที่ไม่มีข้อผูกมัดบน IC ที่สามารถตั้งโปรแกรมให้ทำหน้าที่เป็นอินพุตหรือเอาต์พุต หรือทั้งสองอย่างได้ตามต้องการ

สำหรับความต้องการการควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยทั่วไปจะใช้มาตรฐานอินเทอร์เฟซสำหรับโปรเซสเซอร์อุตสาหกรรมโมบายล์ (MIPI) อินเทอร์เฟซการควบคุม MIPI RF front-end (RFFE) ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับใช้ในสายสัญญาณ RF ที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อให้มีฟังก์ชันการควบคุมที่รวดเร็ว กึ่งอัตโนมัติ และครอบคลุม MIPI RFFE สามารถรวมอุปกรณ์ได้มากถึง 19 เครื่องต่อบัส (อุปกรณ์ผู้นำสูงสุดสี่เครื่องและอุปกรณ์ผู้ติดตาม 15 เครื่อง) ออกแบบมาเพื่อใช้กับ LNA, จูนเนอร์เสาอากาศ, สวิตช์, เพาเวอร์แอมป์ และฟิลเตอร์ MIPI RFFE สามารถอำนวยความสะดวกในการออกแบบ การกำหนดค่า และการรวมกลุ่มสัญญาณ RF และสนับสนุนการใช้ส่วนประกอบจากซัพพลายเออร์ที่แตกต่างกัน

MIPI ควบคุม LNA

นักออกแบบสามารถใช้ BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA จาก Infineon สำหรับสายสัญญาณ RF ที่มีประสิทธิภาพสูง อินเทอร์เฟซ MIPI สามารถควบคุมโหมดเกนแปดโหมดและโหมดไบแอส 11 โหมดเพื่อเพิ่มช่วงไดนามิกของระบบโดยรองรับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อม RF (รูปที่ 4) ออกแบบมาเพื่อใช้ในแบนด์ 3GPP ระหว่าง 1.4 ถึง 2.7 กิกะเฮิร์ตซ์ (GHz) (ส่วนใหญ่สำหรับแบนด์ B1, B3, n41 และ B21) มันสามารถให้ตัวเลขเสียงรบกวน 0.6 เดซิเบล (dB) และได้รับสูงถึง 20.2 dB ด้วยกระแส 5.8 มิลลิแอมป์ (mA) ทำงานโดยใช้แรงดันไฟตั้งแต่ 1.1 ถึง 2.0 โวลต์ และผ่านการรับรองสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมตาม JEDEC47/20/22

รูปที่ 4: อินเทอร์เฟซ MIPI บน LNA นี้สามารถควบคุมโหมดเกนการทำงานแปดโหมดและโหมดอคติ 11 โหมดสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

มีคุณสมบัติหลายอย่างที่ช่วยตอบสนองความต้องการ SWaP ที่ท้าทาย ได้แก่:

• ขนาด: TSNP-9 แบบเก้าพินมีขนาด 1.1 × 1.1 มม. (มม.) และความสูง 0.375 มม. ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่จำกัดพื้นที่
• น้ำหนัก: แพ็คเกจ TSNP-9 ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ต้องการน้ำหนักเบา
• พลังงาน: BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA มีกระแสไฟบายพาสเพียง 2 ไมโครแอมแปร์ (µA) ซึ่งช่วยยืดเวลาการทำงานของแบตเตอรี่

สวิตช์ความหลากหลายของเสาอากาศ

BGS12WN6E6327XTSA1 สวิตช์เอนกประสงค์แบบเสาเดี่ยวไวด์แบนด์ double throw (SPDT) จาก Infineon มีความเร็วในการสลับทั่วไปที่ 160 นาโนวินาที (ns) รวมถึงตรรกะการควบคุมแบบบูรณาการ (ตัวถอดรหัส) และการป้องกัน ESD (รูปที่ 5) ออกแบบมาเพื่อใช้ใน Wi-Fi, Bluetooth และสายสัญญาณ RF แบบอัลตร้าไวด์แบนด์ พอร์ตทั้งสองพอร์ตสามารถเชื่อมต่อกับเสาอากาศที่หลากหลายและรองรับได้ถึง 26 dB อ้างอิงถึง 1 มิลลิวัตต์ (dBm) มันถูกประดิษฐ์ขึ้นด้วยเทคโนโลยี MOS และให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ GaAs แต่ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุบล็อก DC ภายนอกบนพอร์ต RF เว้นแต่คาดว่าจะใช้แรงดันไฟฟ้า DC ภายนอก

ชิปประกอบด้วยลอจิก CMOS ที่ขับเคลื่อนด้วยสัญญาณควบคุมที่เข้ากันได้กับ CMOS หรือ TTL ตัวเดียว มีการแยกพอร์ตต่อพอร์ตสูงและการสูญเสียการแทรกต่ำถึง 9 GHz เพื่อลดขนาดและน้ำหนักตัวเครื่องมาในแพ็คเกจ PG-TSNP-6-10 ที่มีขนาด 0.7 × 1.1 มม. และความสูงสูงสุด 0.375 มม. สามารถทำงานได้กับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 4.2 โวลต์โดยมีกระแสไฟจ่ายปกติ 36 µA และกระแสควบคุม 2 นาโนแอมแปร์ (nA) ช่วยเพิ่มเวลาการทำงานสูงสุดในอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่

รูปที่ 5: สวิตช์เอนกประสงค์รุ่น BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT สามารถสลับได้ใน 160 ns และรวมลอจิกการควบคุมแบบบูรณาการและการป้องกัน ESD (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

สวิตช์ข้าม RF

ผลิตภัณจาก Infineon รุ่น BGSX22G6U10E6327XTSA1 สวิตช์ข้าม RF CMOS ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งาน GSM, WCDMA, LTE และ 5G สวิตช์แบบดับเบิ้ลโพล (DPDT) แบบสองขั้วนี้มีการสูญเสียการแทรกต่ำที่ความถี่สูงถึง 7.125 GHz การสร้างฮาร์โมนิกต่ำ และการแยกสูงระหว่างพอร์ต RF เวลาในการสวิตช์ที่ 1.3 ไมโครวินาที (µs) ช่วยในการรองรับการใช้งานสัญญาณอ้างอิงเสียง 5G (SRS) มีอินเทอร์เฟซการควบคุม GPIO และทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 1.6 ถึง 3.6 โวลต์ แพ็คเกจ PG-ULGA-10 มีขนาด 1.1 × 1.5 มม. หนา 0.60 มม. และเหมาะสำหรับการใช้งานในพื้นที่และน้ำหนักที่จำกัด อุปกรณ์กำลังต่ำนี้มีกระแสไฟจ่ายทั่วไป 25 µA และกระแสควบคุม 2 nA

สวิตช์ปรับเสาอากาศ

การออกแบบที่ต้องใช้สวิตช์ปรับเสาอากาศแบบ single-pole four-throw (SP4T) ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานสูงสุด 7.125 GHz สามารถใช้ BGSA14M2N10E6327XTSA1 จาก Infineon ได้ พอร์ตความต้านทาน 0.85 โอห์ม (Ω) สี่พอร์ตได้รับการออกแบบสำหรับใช้ในแอพพลิเคชั่นการปรับค่า Q สูง อินเทอร์เฟซการควบคุมแบบดิจิตอล MIPI RFEE ทำให้การใช้งานในสายสัญญาณ RF ง่ายขึ้น ความสามารถด้านแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ 45 โวลต์และความจุต่ำที่ 160 femtofarads (fF) ในสถานะ OFF ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสลับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุในวงจรการจับคู่เสาอากาศ RF โดยไม่มีการสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญ (รูปที่ 6) แพ็คเกจ TSNP-10-9 ขนาด 1.3 × 0.95 มม. สูง 0.375 มม. รวมกับการใช้กระแสไฟ 22 µA ทำให้อุปกรณ์นี้สามารถรองรับแอปพลิเคชัน SWaP ที่ท้าทายได้

รูปที่ 6: BGSA14M2N10E6327XTSA1 สามารถสลับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุในวงจรจับคู่เสาอากาศ RF ได้อย่างมีประสิทธิภาพ (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

ทรานซิสเตอร์ RF

สายสัญญาณ RF ประสิทธิภาพสูงเริ่มต้นด้วยตัวรับส่งสัญญาณและส่วนเครื่องขยายสัญญาณ RF สิ่งนี้ต้องใช้ทรานซิสเตอร์กำลัง RF เช่น BFP760H6327XTSA1 Wideband NPN RF heterojunction bipolar transistor (HBT) จาก Infineon ที่มีคุณสมบัติ

• ตัวเลขเสียงรบกวนต่ำ (NF_min) ที่ 0.95 dB ที่ 5.5 GHz, 3 โวลต์, 10 mA
• กำลังรับสูงสุดสูง (G_ms) 16.5 dB ที่ 5.5 GHz, 3 โวลต์, 30 mA
• ความเป็นเส้นตรงสูงพร้อมจุดสกัดกั้นคำสั่งที่ 3 ที่เอาต์พุต (OIP₃ ) 27 dBm ที่ 5.5 GHz, 3 โวลต์, 30 mA

ทรานซิสเตอร์กำลังนี้มีคุณสมบัติสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม ออกแบบมาเพื่อใช้ในระบบสื่อสารไร้สายและดาวเทียม อุปกรณ์นำทาง GPS อุปกรณ์มัลติมีเดียเคลื่อนที่ และการใช้งาน RF ประสิทธิภาพสูงอื่น ๆ

ตัวเลือกแพ็คเกจ TSNP

แพ็คเกจ TSNP ขนาดเล็กต้องการความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตที่เสถียรบนบอร์ดพีซี และควรใช้การออกแบบแพดที่ไม่ได้กำหนดรูปแบบการบัดกรี (NSMD) ความคลาดเคลื่อนของแผ่นรองสำหรับ NSMD นั้นต่ำกว่าเมื่อเทียบกับตัวต้านทานแบบบัดกรี สำหรับ NSMD ร่องรอยบนบอร์ดพีซีควรมีขนาดไม่เกิน 100 ไมโครเมตร (µm) โดยทั่วไป แผ่นรองบอร์ดพีซีสำหรับ TSNP ด้านล่างเท่านั้น ซึ่งใช้โดย BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA, สวิตช์ความหลากหลายของเสาอากาศ BGS12WN6E6327XTSA1 และสวิตช์ปรับเสาอากาศ BGSA14M2N10E6327XTSA1 ที่อธิบายข้างต้น ได้รับการออกแบบโดยการถ่ายโอนโครงร่างแพ็ดของบรรจุภัณฑ์และเพิ่มด้านข้างของ 25 µm แผ่น

นักออกแบบต้องระวังว่าแผ่นรอง TSNP มีมากกว่าหนึ่งสไตล์ มีแผ่นรองมาตรฐาน และมีแผ่นรองที่ออกแบบมาสำหรับการตรวจสอบปลายตะกั่วด้วยแสง (LTI) (รูปที่ 7) อุปกรณ์ LTI ต้องการพื้นที่ติดตั้งที่ใหญ่ขึ้น เนื่องจากแผ่นบอร์ดพีซีต้องขยายเกินโครงร่างบรรจุภัณฑ์อย่างน้อย 400 μm (รูปที่ 7) แม้ว่าการออกแบบ LTI จะสนับสนุนการตรวจสอบด้วยแสง แต่อาจไม่เหมาะสำหรับการออกแบบที่สำคัญของ SWaP ที่ต้องการขนาดโซลูชันที่เล็กที่สุด

รูปที่ 7: มีแพ็คเกจ TSNP ที่ใช้แผ่นมาตรฐาน (ซ้าย) หรือแผ่นขนาดใหญ่กว่าที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับ LTI แบบออปติคัล (ขวา) (แหล่งรูปภาพ: Infineon)

สรุป

การพิจารณา SWaP มีความสำคัญเมื่อระบุเครื่องรับสัญญาณเสาอากาศ, สวิตช์ข้าม RF, สวิตช์ความหลากหลายของเสาอากาศ, LNA และทรานซิสเตอร์ RF เสียงรบกวนต่ำในกลุ่มอุปกรณ์ไร้สายแบบพกพาและอุปกรณ์สวมใส่ได้ ดังที่แสดงไว้ Infineon นำเสนออุปกรณ์ต่าง ๆ ให้กับนักออกแบบเพื่อใช้ในแอพพลิเคชั่นสัญญาณ RF ที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการ SWaP ที่ต้องการได้ การใช้อุปกรณ์เหล่านี้ นักออกแบบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือและแบนด์วิดท์ของสายสัญญาณ RF และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

บทความแนะนำ

1. วิธีการใช้เซ็นเซอร์อุณหภูมิดิจิตอลความแม่นยำสูงในอุปกรณ์สวมใส่สำหรับตรวจสอบสุขภาพ
2. ภาพรวมเทคโนโลยีไร้สายสำหรับ IoT