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高效控制多頻手機中的天線接取

上網時間: 2008年03月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:GPS  WiMAX  LTE 

過去幾年來,手機中的射頻訊號通道越來越擁擠。行動電話已經從雙頻向三頻甚至四頻快速發展。另外,這些複雜手機還需要處理來自週邊無線設備的各種訊號,如藍牙、WiFi和GPS。隨著WiMAXLTE(4G)的加入,這種複雜度將越來越高。在行動手機中,天線開關控制著天線,以接取所有這些無線訊號,扮演著網路守門員的角色。

多頻手機設計面臨著很大挑戰,因為所有這些訊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接取天線。對開關製造商來說,這意味著從單刀四擲(SP4T)相應發展到SP7T甚至SP9T的配置,才能處理越來越多的訊號。這種先進的開關需要能夠處理由寬頻CDMA(WCDMA)和低功率I/O無線設備帶來的額外行動通訊頻段接取。

可預期的是,手機複雜性會越來越高,要求能夠處理更多頻段的訊號。最可能的情況是,市場將至少標準化七個頻段,並且要留出一個空間給第八個頻段(LTE)使用。即使今後產生合併,射頻電路中由於合併留出的空間也會很快被越來越流行的、也需要接取天線的週邊無線電所佔據。

管理訊號流量

為了支援網際網路、多媒體和視訊應用,3G行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後每個新的頻段都要增加另外一個Tx/Rx通道。目前的行動手機設計傾向於採用4xGSM(850、900、1800、1,900MHz)和3xWCDMA(850、1,900、2,100MHz)前端。因此,手機複雜度已經達到空前的水準。

射頻前端設計師主要負責天線開關模組(ASM)、前端模組(FEM)和發送模組;其中ASM通常包括開關、解碼器、功率放大器(PA)低通濾波器、ESD電路和電壓產生器。對射頻設計師而言,多頻應用意味著艱鉅的架構、性能和成本挑戰。多頻手機中的任何設計折衷都要求手機滿足或超過所有標準提到的性能等級。

多模多頻的行動手機通常使用單一功率放大器模組處理四頻GSM/EDGE訊號。另一方面,每個WCDMA頻段都需使用自己的獨立功率放大器。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)開關來管理所有的訊號通道。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),但與使用單一SP6T開關相較,這種方法將產生較高的插入損耗。

射頻設計師必須關注插入損耗,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%。必須達到這個效率水準才能確保較長的電池使用時間,因為手機總電流的一半是用在功率放大器上。有鑒於此,設計師必須將保持功率放大器的PAE放在最高優先等級。

一些最早的多頻WCDMA/GSM手機採用獨立的WCDMA和GSM訊號鏈,並採用獨立的天線和無線設計。雖然這種方案在原型和第一代設計中非常有效,但市場壓力要求更高性價比並且節省空間的方法。顯然,業界要求整合式ASM能夠處理7個甚至9個訊號。

針對這個需求,業界開發出了SP7T開關來支援具有1個WCDMA和4個GSM頻段的手機架構。如PE42672就是採用UltraCMOS製程技術開發的單片式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規格相容的手機設計和高效的射頻前端要求。IP3與設備的第三階交調失真(IMD3)性能關聯,這些相位上的指標如圖1所示。

圖1:IP3與元件的第三階交調失真(IMD3)性能有關。該圖顯示了UltraCMOS SP7T(PE42672)和SP9T(PE42693)的這些相位上指標。
圖1:IP3與元件的第三階交調失真(IMD3)性能有關。該圖顯示了UltraCMOS SP7T(PE42672)和SP9T(PE42693)的這些相位上指標。

SP6T開關是開關架構方面最新的成果之一。經過配置它可以處理多個頻段的WCDMA、GSM和週邊無線設備。如圖2所示的開關可以處理三頻段的WCDMA,並提供到雙工器和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個高功率訊號。

圖2:這個SP9T正在處理三頻段的WCDMA,它提供了到達雙工器和三個功率放大器模組的通道。
圖2:這個SP9T正在處理三頻段的WCDMA,它提供了到達雙工器和三個功率放大器模組的通道。

開關要求

隨著多頻段架構的普及,對功率放大器和相關濾波器的數量提出了嚴格的要求。事實上,對功率放大器的技術要求沒有變化,但手機設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,將所有射頻訊號傳送給天線──即單片開關。

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元件性能也帶來了很大的壓力。例如,目前的開關通常可通過超過+65dBm的IP3。過去,在只有GSM的設計中並沒有相似的線性度要求。+65dBm不僅是新的要求,同時是開關製造商難以達到的要求。透過利用UltraCMOS製造製程的線性優勢,圖2中的單片PE42693 SP6T可以保持其前一代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元件實現,但它需要額外的元件,如CMOS解碼器和驅動器,這將大幅影響所需I/O的數量。例如,圖2中的SP9T要求4條控制線。而SP9T相似的GaAs實現需要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,挑戰尤其艱鉅,因為I/O數量越多,線的耦合和黏合的可能性就越大。例如,PCS1900發送頻段與DCS1800接收頻段發生重疊。沒有好的隔離(35dB以上),無用的帶內訊號就會通過濾波器而降低接收機的靈敏度。

持續微縮

隨著多頻段手機越來越流行,對高整合度、小型天線開關的需求也越來越迫切。UltraCMOS SP7T開關現在已經開始量產,SP9T也在2007年底投入量產。在外形方面,GaAs SP7T為1.6x1.5mm,而採用0.5um SOS製程、具有相等或較小和較大訊號性能的相似SP7T開關設計只有1.2x1.0mm,面積縮小了一半。目前已經可用的GaAs E/D pHemt或J-pHemt SP9T開關外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相較,採用UltraCMOS 0.5um製程製造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm(圖3),它不需要外部ESD元件和性能增強匹配元件。依照UltraCMOS發展規劃,0.25um版本的SP9T尺寸將達到1.32x1.29mm。

圖3:這個UltraCMOS SP9T尺寸為1.7x1.1mm,不需要外部ESD元件或線性度增強匹配元件。黃框代表的是解碼器,藍框是ESD,綠框是電壓產生器。
圖3:這個UltraCMOS SP9T尺寸為1.7x1.1mm,不需要外部ESD元件或線性度增強匹配元件。黃框代表的是解碼器,藍框是ESD,綠框是電壓產生器。

縮小尺寸的另外一種方式是將開關覆晶安裝在結實的低溫共燒陶瓷(LTCC)基板上,無需佔用傳統打線接合所需的面積。目前晶圓級晶片尺寸封裝正在開發中,它所生產的UltraCMOS開關可依照標準表面黏著進行處理。

在使用UltraCMOS製造的開關後,設計師可以取消其他開關技術需使用的解碼器、隔直電容和雙工器。配合晶片尺寸封裝技術,這種製程可顯著減少ASM的尺寸和厚度。另外,其固有的ESD容差和單片CMOS介面可簡化設計週程。最後,UltraCMOS製程的高良率和增加開關方向的靈活性,可使新一代手機具有更高的整合度,能夠解決多頻段行動手機體積縮小所帶來的持續挑戰。

對射頻元件的影響

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)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,但仍需瞭解其對系統天線的顯著影響。天線必須高效的幅射從800到2,200MHz的訊號,在微型天線允許的外形尺寸下這是一個相當艱鉅的任務。目前業界正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單元。總之,射頻開關必須能夠切換最多9條大功率射頻訊號通道,且要具有低插損、高隔離和線性度。

新型製造製程的發展和高整合度設計,正使得在最新、最複雜和最小的可攜式設備中實現必要的多頻段性能成為可能。

作者:Rodd Novak

行銷副總裁

Peregrine半導體





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