射頻開關優化智能手機信號
用于智能手機應用的高擲數開關通常采用GaAs偽晶高電子遷移率晶體管(pHEMT)工藝制造,不過這些產品也可能使用標準硅CMOS和絕緣硅(SOI)技術開發。每種方法都有優缺點,而選擇通常取決于最終用戶的要求。
Skyworks Solutions公司最近開發出多款高擲數的開關,其中包括用于多頻段操作的單刀十擲開關。舉例來說,型號為SKY13362-389-LF的單刀十擲(SP10T)開關支持多達5個3G蜂窩通信頻段。這種開關由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。從天線端口到收發器端口的典型插損值為0.5dB,天線端口到任一GSM發送端口的插損是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)。這種開關具有5μs的切換速度,在UMTS模式下測試時的輸入3階截取點為+61dBm或更高,開關采用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和控制器、GSM發送濾波器和單頻段差分SAW接收濾波器。其中的開關是一種單刀八擲(SP8T)元件,工作頻率范圍從0.4GHz至2.17GHz。在開關的發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模塊針對數據卡應用作了優化,采用20引腳、3.2x3.2mm多芯片模塊(MCM)封裝供貨。
在一些手持式應用中,允許直接連接手機電池(具有正確的電源電壓范圍)的產品是很有用的。未來設計也可能從基于GPIO的控制接口轉為工業標準可編程接口中,以適應高擲數的天線開關模塊應用。
隨著3G多模和多頻架構的普及,對頻段/模式開關的需求越來越多。高線性的頻段和/或模式開關可以在寬帶碼分多址(WCDMA)信號通過天線開關模塊發送出去之前,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。對頻段或模式開關的要求取決于所選擇的功放架構。在單模架構場合,由于GSM發送通道和線性寬帶CDMA通道是分開的,因此只要求頻段開關能夠將WCDMA信號從功放輸出端傳遞到雙工器。在多模、多頻信號路徑架構場合,由于GSM和WCDMA信號通過同一功放發送,模式開關必須能夠處理更大功率的飽和GSM調制信號。兩種功放架構一般都有一條高頻段和一條低頻段放大器鏈。在單模架構中,開關只需用來選擇多個寬帶CDMA雙工器中的一個。
根據需要支持的寬帶CDMA頻段數量,頻段或模式開關通常是單刀雙擲(SPDT)或單刀三擲(SP3T)配置。然而,在空間十分寶貴的設計中,這個功能可以合并為雙刀四擲(DP4T)開關或雙刀五擲(DP5T)開關,這樣的配置可以處理多達5個頻段。對這些開關的要求取決于開關必須處理的射頻信號電平。目標是提供足夠的線性度,不給系統增加由開關引起的信號失真。
頻段開關可同時用于前置功放和后置功放,因為在多頻段平臺中頻段會增加或合并。選擇pHEMT還是絕緣硅技術通常由實際控制電壓的大小決定。當控制電壓為2.8V或以上時,pHEMT技術是一個很好的選擇。當射頻子系統使用較低電壓的邏輯信號(如1.8V)時,絕緣硅技術更加合適。與高擲數的開關不同,低擲數的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/模式開關產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、型號為SKY13309-370LF和SKY13317-373LF的SP3T開關以及型號為SKY14151-350LF的SP4T開關。
在新興的無線手機和數據卡應用中,經常會使用第二個或分集接收天線以及相關的接收機信號鏈。分集接收技術用于提高數據速率,特別是在數據吞吐量最關鍵的場合。基于成本和功耗的考慮,實用的分集技術只應用于終端設備中的接收側,不包括發送信號路徑。根據所需支持的寬帶CDMA頻段數量,在分集天線處需要使用一個合適的開關。在大多數情況下,要求使用SP3T、SP4T或單刀五擲(SP5T)開關。與主要路徑天線使用的開關相比,這些射頻開關的承受功率要求要低一些,因為這些開關不需要通過很高功率的發送機信號。
Skyworks公司針對分集應用設計了多款產品,SKY13322-375LF SP4T開關、SKY14153-368LF SP4T開關、SKY13345-368LF SP4T開關和SKY14151-350LF SP4T開關就是適合分集應用的一些最流行器件。將來的產品中還將包括SP5T開關SKY13358-388LF。舉例來說,型號為SKY13322-375LF的GaAs FET SP4T開關可以工作在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。這種開關的1dB壓縮點(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個開關端口。該開關可以處理功率達+34.5dBm的900MHz射頻和功率達+31.5dBm的1.8GHz射頻信號。這是一種對稱型開關,專門針對GSM/WCDMA/EDGE作了優化,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標準對用于多入多出(MIMO)操作的第二副天線組件作了規定。在較簡單的實現中,MIMO可以通過選擇更強的接收信號或合并兩個獨立天線端接收到的信號提高總的接收信號強度,從而促進數據速率的提高。在較為復雜的實現中,MIMO可以用來在基站和手機之間同時傳送兩個(或多個)獨立數據流。第4代蜂窩標準LTE的推出將驅動更多的分集路徑配置,因為智能手機擴大了便攜式設備的數據吞吐能力。
在移動連接方面,開關對于信號路由和將不同無線信號連接到天線來說至關重要。智能手機中的藍牙無線電、Wi-Fi連接和移動電視接收功能都要求額外的開關功能。近年來,智能手機類設備中移動連接的附加速率(更多功能以此速率添加到手機中)顯著提高。藍牙和調頻收音機的附加率大于50%,全球定位系統(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(藍牙、Wi-Fi和調頻收音機)的芯片組的推出進一步推動了這些附加功能的流行和普及。
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