- 手機(jī)管理信號流量
- 手機(jī)中增加的頻段開關(guān)要求
- 對射頻元件的影響
- 開發(fā)出了SP7T開關(guān)來支援多個信號
- 需要整合度高、小型化的天線開關(guān)
- 使用開關(guān)和集總調(diào)諧單元匹配天線
多頻手機(jī)設(shè)計面臨著很大挑戰(zhàn)，因為所有這些信號工作在不同的頻寬，而且它們都需要接取天線。為了取得最佳性能和外形尺寸，它們最好能透過單一射頻開關(guān)接取天線。對開關(guān)制造商來說，這意味著從單刀四擲(SP4T)相應(yīng)發(fā)展到SP7T甚至SP9T的配置，才能處理越來越多的信號。這種先進(jìn)的開關(guān)需要能夠處理由寬頻CDMA(WCDMA)和低功率I/O無線設(shè)備帶來的額外移動通訊頻段接取。
可預(yù)期的是，手機(jī)復(fù)雜性會越來越高，要求能夠處理更多頻段的信號。最可能的情況是，市場將至少標(biāo)準(zhǔn)化七個頻段，并且要留出一個空間給第八個頻段(LTE)使用。即使今后產(chǎn)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、也需要接取天線的周邊無線電所占據(jù)。
管理信號流量
為了支援網(wǎng)際網(wǎng)路、多媒體和視訊應(yīng)用，3G移動手機(jī)市場已經(jīng)轉(zhuǎn)向WCDMA。相應(yīng)的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術(shù)。為了滿足全球需求，目前的GSM手機(jī)最多有4個發(fā)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(jī)設(shè)計傾向于采用4xGSM(850、900、1800、1900MHz)和3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此，手機(jī)復(fù)雜度已經(jīng)達(dá)到空前的水準(zhǔn)。
射頻前端設(shè)計師主要負(fù)責(zé)天線開關(guān)模組(ASM)、前端模組(FEM)和發(fā)送模組；其中ASM通常包括開關(guān)、解碼器、功率放大器(PA)低通濾波器、ESD電路和電壓產(chǎn)生器。對射頻設(shè)計師而言，多頻應(yīng)用意味著艱巨的架構(gòu)、性能和成本挑戰(zhàn)。多頻手機(jī)中的任何設(shè)計折衷都要求手機(jī)滿足或超過所有標(biāo)準(zhǔn)提到的性能等級。
多模多頻的移動手機(jī)通常使用單一功率放大器模組處理四頻GSM/EDGE信號。另一方面，每個WCDMA頻段都需使用自己的獨(dú)立功率放大器。因此，具有一個WCDMA頻段的四頻GSM手機(jī)至少需要一個單刀六擲(SP6T)開關(guān)來管理所有的信號通道。當(dāng)然，設(shè)計師也可以使用一個雙工器和兩個SP3T(流行的GaAs配置)，但與使用單一SP6T開關(guān)相較，這種方法將產(chǎn)生較高的插入損耗。
射頻設(shè)計師必須關(guān)注插入損耗，因為它直接影響功率放大器的功率附加效率(PAE)。GSM功率放大器的最大飽和功率通常是3W，平均PAE是55%。必須達(dá)到這個效率水準(zhǔn)才能確保較長的電池使用時間，因為手機(jī)總電流的一半是用在功率放大器上。有鑒于此，設(shè)計師必須將保持功率放大器的PAE放在最高優(yōu)先等級。
一些最早的多頻WCDMA/GSM手機(jī)采用獨(dú)立的WCDMA和GSM信號鏈，并采用獨(dú)立的天線和無線設(shè)計。雖然這種方案在原型和第一代設(shè)計中非常有效，但市場壓力要求更高性價比并且節(jié)省空間的方法。顯然，業(yè)界要求整合式ASM能夠處理7個甚至9個信號。
針對這個需求，業(yè)界開發(fā)出了SP7T開關(guān)來支援具有1個WCDMA和4個GSM頻段的手機(jī)架構(gòu)。如PE42672就是采用UltraCMOS制程技術(shù)開發(fā)的單片式SP7T，它能提供+68dBm的三階交調(diào)截取點(diǎn)(IP3)，這個線性度性能值可以滿足3GPPIMD3規(guī)格相容的手機(jī)設(shè)計和高效的射頻前端要求。IP3與設(shè)備的第三階交調(diào)失真(IMD3)性能關(guān)聯(lián)，這些相位上的指標(biāo)如圖1所示。
圖1：IP3與元件的第三階交調(diào)失真(IMD3)性能有關(guān)。該圖顯示了UltraCMOSSP7T(PE42672)和SP9T(PE42693)的這些相位上指標(biāo)。
SP6T開關(guān)是開關(guān)架構(gòu)方面最新的成果之一。經(jīng)過配置它可以處理多個頻段的WCDMA、GSM和周邊無線設(shè)備。如圖2所示的開關(guān)可以處理三頻段的WCDMA，并提供到雙工器和3個功率放大器模組的通道(每個WCDMA頻段要求使用自己的功率放大器和雙工器)。這個開關(guān)還能處理只有單一功率放大器模組與之相連的四頻GSM/EDGE(包含2個功率放大器晶片)。從實際效果看，這個設(shè)備必須通過受簡單解碼器控制的單個開關(guān)傳送5個高功率訊號。
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圖2：這個SP9T正在處理三頻段的WCDMA，它提供了到達(dá)雙工器和三個功率放大器模組的通道。
開關(guān)要求
隨著多頻段架構(gòu)的普及，對功率放大器和相關(guān)濾波器的數(shù)量提出了嚴(yán)格的要求。事實上，對功率放大器的技術(shù)要求沒有變化，但手機(jī)設(shè)計需要使用更多的功率放大器。因此真正改變的，是需要一種高效率方法，將所有射頻信號傳送給天線──即單片開關(guān)。
手機(jī)中增加的頻段越多，對開關(guān)的技術(shù)要求就越高，而且WCDMA的線性度和諧波要求對元件性能也帶來了很大的壓力。例如，目前的開關(guān)通?？赏ㄟ^超過+65dBm的IP3。過去，在只有GSM的設(shè)計中并沒有相似的線性度要求。+65dBm不僅是新的要求，同時是開關(guān)制造商難以達(dá)到的要求。透過利用UltraCMOS制造制程的線性優(yōu)勢，圖2中的單片PE42693SP6T可以保持其前一代SP7T開關(guān)+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的-105dBm(圖1)。
SP6T功能可以用GaAs元件實現(xiàn)，但它需要額外的元件，如CMOS解碼器和驅(qū)動器，這將大幅影響所需I/O的數(shù)量。例如，圖2中的SP9T要求4條控制線。而SP9T相似的GaAs實現(xiàn)需要18條控制線，使這些線出入單個元件非常困難。對要求高度線性和隔離的5個高功率埠來說，挑戰(zhàn)尤其艱巨，因為I/O數(shù)量越多，線的耦合和黏合的可能性就越大。例如，PCS1900發(fā)送頻段與DCS1800接收頻段發(fā)生重疊。沒有好的隔離(35dB以上)，無用的帶內(nèi)信號就會通過濾波器而降低接收機(jī)的靈敏度。
持續(xù)微縮
隨著多頻段手機(jī)越來越流行，對高整合度、小型天線開關(guān)的需求也越來越迫切。UltraCMOSSP7T開關(guān)現(xiàn)在已經(jīng)開始量產(chǎn)，SP9T也在2007年底投入量產(chǎn)。在外形方面，GaAsSP7T為1.6x1.5mm，而采用0.5umSOS制程、具有相等或較小和較大信號性能的相似SP7T開關(guān)設(shè)計只有1.2x1.0mm，面積縮小了一半。目前已經(jīng)可用的GaAsE/DpHemt或J-pHemtSP9T開關(guān)外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相較，采用UltraCMOS0.5um制程制造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm(圖3)，它不需要外部ESD元件和性能增強(qiáng)匹配元件。依照UltraCMOS發(fā)展規(guī)劃，0.25um版本的SP9T尺寸將達(dá)到1.32x1.29mm。
圖3：這個UltraCMOSSP9T尺寸為1.7x1.1mm，不需要外部ESD元件或線性度增強(qiáng)匹配元件。黃框代表的是解碼器，藍(lán)框是ESD，綠框是電壓產(chǎn)生器。
縮小尺寸的另外一種方式是將開關(guān)覆晶安裝在結(jié)實的低溫共燒陶瓷(LTCC)基板上，無需占用傳統(tǒng)打線接合所需的面積。目前晶圓級晶片尺寸封裝正在開發(fā)中，它所生產(chǎn)的UltraCMOS開關(guān)可依照標(biāo)準(zhǔn)表面黏著進(jìn)行處理。
在使用UltraCMOS制造的開關(guān)后，設(shè)計師可以取消其他開關(guān)技術(shù)需使用的解碼器、隔直電容和雙工器。配合晶片尺寸封裝技術(shù)，這種制程可顯著減少ASM的尺寸和厚度。另外，其固有的ESD容差和單片CMOS介面可簡化設(shè)計周程。最后，UltraCMOS制程的高良率和增加開關(guān)方向的靈活性，可使新一代手機(jī)具有更高的整合度，能夠解決多頻段行動手機(jī)體積縮小所帶來的持續(xù)挑戰(zhàn)。
對射頻元件的影響
多模多頻段GSM/WCDMA手機(jī)的技術(shù)要求已經(jīng)超過了傳統(tǒng)RFIC技術(shù)(如GaAs)極限。受這些超高性能要求影響最嚴(yán)重的是天線和射頻開關(guān)。
雖然本文主要討論的是天線開關(guān)，但仍需了解其對系統(tǒng)天線的顯著影響。天線必須高效的幅射從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(dāng)艱巨的任務(wù)。目前業(yè)界正尋找新的技術(shù)來解決這個問題，考慮到天線匹配問題，可能使用開關(guān)和集總調(diào)諧單元?？傊?，射頻開關(guān)必須能夠切換最多9條大功率射頻信號通道，且要具有低插損、高隔離和線性度。
新型制造制程的發(fā)展和高整合度設(shè)計，正使得在最新、最復(fù)雜和最小的可攜式設(shè)備中實現(xiàn)必要的多頻段性能成為可能。
