用于通用标准无线电链路的小型化RF芯片

本文是两部分中的第二部分，研究了一些关键有源元件和系统元件的小型化，这些元件和系统元件将使下一代无线链路的设计人员能够提供更小，更高效的无线电和无线电子系统。我们将研究RF晶体管，混频器，调制器和放大器等小型有源元件，并讨论对片上系统（SOC）和多芯片模块（MCM）型原型有用的模片器件。初始生产运行。

第1部分介绍了最新的小型无源器件，它们将多个分立元件集成到较小的表面贴装版本中。这些节省了空间，成本并提高了性能，并且可广泛用于现代通用标准无线电链路收发器芯片，其设计通常是第三代或第四代。许多也可用于下一代和定制无线电设计。

有源离散（或功能块）组件正在为个人局域网（PAN）和可穿戴计算机寻求下一代无线解决方案。虽然功能密集，但柔性部件可用于继续向更高频率，更小波长系统发展的趋势。这些允许进一步减小尺寸并且可以使用更低的功率水平，因为PAN RF场在体积空间上是如此受限。

急于领导而不是跟随的创新者将使用目前可用的构建模块来设计和构建他们自己的下一代无线电系统。本文将介绍其中一些活动块。可以在Digi-Key的网站上找到本文中提到的所有部件，数据表，参考设计和开发套件。

再次回到原点

在设计下一代无线电时，通常需要两个主要级别的原型。功能开发组将需要集成功能块，以便在测量和优化阶段之间进行访问。这可以允许探测和调整值以优化功率传输并逐步维持信号完整性。

虽然一些先进的无线电收发器芯片制造商将制造成品作为MCM，但最佳的投资回报是使用单片器件。作为第二代或第三代设备，缩小的单片形式通常具有更高的价格效率，并且通常更小且性能更好，因为它利用了早期版本获得的经验。

然而，这种转变为单片形式在新设计中有效。 PCB上的迹线运行通常表征为严格的阻抗和传输线特性。在多芯片模块或定制硅片上，必须使用新材料和尺寸重新建立所有特性。因此，实际上，从物理角度来看，它是一种新设计。

在下一代无线电原型设计时，RF开关可能非常重要。通过提供对内部节点的切换访问，设计人员可以指导信号路径，探测或调整阶段。但请注意，开关也需要调整。标准接触开关可能无法与RF配合使用。高频信号使用接触间隔（甚至介电间距）作为穿通电容器。因此，需要特殊的RF开关（和连接器）。

几种高质量和小尺寸的单片和模片式RF开关可以“现成”服务，用于内部访问原型级或多天线和共享路径设计。注意，这些特征在于具有频率上限和频率上限，以及频率隔离的插入损耗和频谱图。还要注意，存在各种拓扑以提供更多的信号路径灵活性，尤其是在单个天线可以服务于若干频率，带宽和协议的情况下。例如，多路复用器比分立开关需要更少的信号迹线。

让我们看一下紧凑型（SC70-6）封装的Peregrine 4259-63反射式RF开关。它在10 MHz至3 GHz范围内呈现50欧姆，是SPDT通用RF开关，插入损耗低至0.5 dB。一个很好的功能是可选择的单线或双线控制，允许精确的先开后合操作。

该部件是供应商的UltraCMOS系列的成员，使用蓝宝石衬底提供可比较昂贵的性能硅锗或砷化镓技术，同时还具有更好的功率处理和ESD耐受性。家庭成员包括射频开关，混频器和衰减器。

吸收型开关也可用于互斥和负载平衡切换。例如，RF Micro Devices的50 Ohm SPDT RF3025TR7具有从10 MHz到6 GHz的非常宽的范围，具有非常低的1.1 dB插入损耗（图1）。在1 GHz以下的频率下，这可以变为0.5 dB，为UHF接收器提供清晰的路径，例如，共享相同的天线。

图1：吸收开关具有端接或加载的非开关条件，有助于保持一致的信号路径阻抗。

根据感兴趣的频率，频段选择范围可达86 MHz。对于MCM和SoC解决方案，Hittite（现为ADI公司的一部分）的86 MHz SPDT裸片RF开关可以实现这一目标。 HMC-SDD112在86 MHz时具有良好的30 dB隔离频率，并具有相当低的2 dB插入损耗。虽然目前用于现代雷达，但随着更高频率和更高数据速率链路的建立，其他应用的附加部件必将变得可用。

在混音中

RF混频器是3端口调制器或解调器，可以是主动或被动。它们既可用于上转换（在发射器中使用时），也可用于下转换（在接收器中使用时）[图2]。输入RF与本地振荡器组合以产生中频，该中频在初始频率，本地振荡器频率以及和频和差频的混合中保留感兴趣的信号;希望没有相移或衰减。

图2：以被动和主动形式进行上转换（左）和下转换（右）的混音器提供无线电设计所需的基本调制功能。有源混频器可以是使用分立有源元件的下一代原型的一部分，并在旋转单片解决方案后进行片上迁移。

无源混频器通常会出现损耗，而有源混频器则会出现增益。虽然无源器件具有宽带宽和良好的互调失真特性，但有源混频器可以更好地集成到单芯片解决方案中，并且可以提供良好的信号隔离以及对负载匹配的灵敏度较低。

与开关类似，选择混频器的频率范围，损耗和相位特性。一个例子是Maxim MAX2682EUT + T下变频器采用紧凑型SOT23-6封装，可以针对既定的ISM和蜂窝通信设计，或实现400 MHz至2.5 GHz之间的任何新无线电设计。基于硅锗工艺，它适用于共享GPS和2.4 GHz ISM链路。 Maxim提供多种应用笔记，包括PCB布局指南 1 ，GPS前端 2 和卫星接收器链路 3 。

5 GHz频段也有几个不错的选择，可以与2.4 GHz频段共享连接，以实现更高速的双频无线局域网连接。像Hittite HMC557LC4TR这样的器件可以作为上变频器和下变频器，用于2.4 GHz至7 GHz的收发器设计，具有宽DC-3 GHz IF带宽。

像Hittite HMC520LC4TR这样的高频段6 GHz至10 GHz部件可用于成像应用，例如墙壁线，螺柱和指甲探测器。此外，对于下一代可穿戴计算机，HMC1081将处理现在用于PAN应用的60 GHz频段。这些超小型单元将需要单片解决方案，因此像HMC1081这样的裸片部件非常适合在原型MCM上使用。

RF晶体管

当需要外部驱动来提供比单片发射器通常可以处理的更多的输出功率时，可以使用外部RF晶体管。这些部件可以放置得更靠近实际天线，以提高效率并提供更高的发射电流。 RF晶体管还可以用作更高功率的开关，以隔离敏感的接收部分，同时进行更高功率的传输。

通常，输出驱动器使用NPN和PNP晶体管，因为它们比FET更坚固（但并非总是如此）。 FET在提供最低导通电阻方面非常有效，因此可以在信号路径中更有效地使用。这可以是将信号路径引导到例如另一个天线，或者用于探测信号链以用于探测目的。正如所料，晶体管选择主要基于工作频率和电压，但低RDS（ON），电流处理能力和尺寸也是关键因素。

晶体管可用于所有频段，包括UHF，当信号穿透墙壁和结构时具有优势，这是很重要的。像CEL NE68019-A这样的部件在紧凑的3引脚SOT 543中支持低于2GHz的信号，并且可以提供比单片无线电芯片内通常可用的更高的输出功率。

也可以使用东芝2SC5084-O（TE85L，F），它具有高达7 GHz的良好输出功率处理能力，具有150 mW的输出功率。这可以轻松处理5 GHz，因此可以与双频Wi-Fi以及ZigBee，GSM，蓝牙和其他2.4 GHz协议一起使用。

50欧姆输入等低频部分 - 输出东芝2SC2714-O（TE85L，F）可用于FM输出级以及使用高频混频器的IF开关。可选择的IF振荡器可以允许相同的收发器模块处理不同的带宽。另请注意，晶体管阵列也可用于节省更多空间，但您可能会失去在任何地方放置单个元素的布局优势。

模具产品

各种模具产品可用于MCM原型或试运行。使用闪光退火陶瓷基板，即使是无源SMT器件也可以与芯片键合器件共存。此外，板上芯片技术可与RF叠层一起使用，以集成板和/或芯片天线。

许多离散功能，如衰减器，放大器，混频器和调制器，在构建新的无线电设计时提供了很大的自由度。更重要的是，它们提供最高级别的功能集成，风险最小，因为每个功能块都具有良好的特性，可以直接从滑槽中运行。

是否是6-20 GHz 3级放大器，如同Avago AMMC-5618-W10（图3）或20瓦8-10.5 GHz PIN二极管端接SPDT开关，如MA/Com MASW-010647-13950G，所有产品均可用于开创即将推出的标准。

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图3：注意这种20 GHz放大器芯片布局等简单功能的复杂性。使用有源芯片和无源阵列作为原型，使用已知的构建模块提供密集且高效的MCM设计。

也可以使用一些不常见的部件，例如用于20-40 GHz操作的2X倍频器。 Avago芯片封装的AMMC-6140-W10具有50欧姆的输入和输出阻抗，同时提供线性倍频。

另一个有趣的选择是来自Skyworks Solutions的ATN3590-10衰减器垫。

这些固定电阻衰减器是共面波导或微带电路载波的理想选择。它们具有固定衰减步长，与反射式RF开关结合使用时，可以进行阶梯级调节。

总之

一旦协议和链接特性成为广泛接受的标准，我们大多数人将使用来自主要供应商的集成芯片组。接下来的几代人将提供免费软件堆栈，并使无线电设计更像是一种剪切和粘贴操作。

然而，对于推动数字无线电信封的人来说，小型化仍然是关键驱动因素之一 - 特别是对于可穿戴计算机和外围设备等高增长应用。