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更小更好:小型化射频 - 第1部分

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  为了提供全球覆盖范围和满足市场需求,智能手机、平板电脑和其他移动设备必须比以往任何时候都支持更多的射频频段,并提供越来越多的无线功能。尽管他们的RF电路越来越复杂,但这些设备必须保持紧凑,如果不是更紧凑的每一个新的模式。考虑到这一点,设计师们意识到频率越高的好处之一就是部件越小。具体来说,天线和电感器可以缩小到表面安装和PCB尺寸。集成电路,也可以作出贡献,并有助于这一收缩节,因为工艺几何允许完整的RF部分无缝集成的数字功能与射频调制,解调,天线匹配和波传播的模拟领域的整合。

  本文着眼于一些关键部件和系统的小型化,这将允许下一代无线链路的设计者(你好,物联网!)提供更小更有效的无线电和无线电子系统。在这一部分的1部分中,我们将看到最新的无源元件,它们将几个分立部件集成到更小的、表面安装的版本中,节省空间和成本,提高性能。

  这些组件是有用的现代,高度集成的标准无线电链路收发器芯片,已经提供小型解决方案。由于这些既定的标准是他们的第三代或第四代,集成无源器件高度优化,包括微型前端滤波器、巴伦、和其他各种配件,可以为单一标准的解决方案,如Wi-Fi,或多标准协议如Wi-Fi蓝牙组合。

  在第2部分中,我们将研究有源器件,如射频晶体管、混频器、调制器和放大器,用于下一代无线电。这些收音机可能是有用的原型,甚至生产的特殊功能无线电链路,不是高度标准化的。在这里,SOC式多芯片模块或载板可以用来更准确地保存和天线的特性阻抗。应该注意的是,如果要进行大批量生产,集成化的定制硅可能是降低成本和尺寸的最佳解决方案,直到集成电路制造商迎头赶上。即使在这种情况下,这里讨论的组件仍然是有用的。所有的部件、数据表、教程和开发包,引用可在网上凯利讯半导体的网站。


  让我们离散

  如果你已经解决了无线电项目在过去,你知道,分立元件和无源元件都设计的一个组成部分;从前端天线匹配公差混频器、振荡器、调制器、滤波器、变压器、开关、双工器、等等。虽然这些功能中有许多是集成的,但这可能不太理想,特别是在开发过程中。例如,总是需要滤波器来区分带外信号,并将它们衰减到非常低的电平,同时在感兴趣的频带中保留全部功率。离散滤波器类包括集总LC、介质和SAW(表1)。

  表1:单片滤波器类型特性。

集中信用证介质看到
损失博览会(3-5分贝)最佳(2-3分贝)良好(2-4分贝)
衰减最佳(急速滚降)
尺寸(wxl)一般(200-400mm²)良好(20-50平方毫米)最佳(5-14平方毫米)
功率几瓦0.01-1 W
频率<0.5 GHz0.7-5 GHz0.7-5 GHz


  虽然简单的滤波器可以由几个非常小的电阻器、电容器和电感器构成,但可以使用更复杂的结构实现更多的级和极点。

  ICS并不是最好的过滤器。用CMOS工艺制造的典型电感q值小于10。铜和金属化技术,这可以增加到20左右。问题是为了减少插入损耗,需要几百个Q值。目前,只有离散滤波器才能做到这一点。

  在硅势垒内外的收音机中都使用滤波器(图1)。这里,在天线匹配和信号路径中需要外部滤波器,以允许接收数据被剥离,并通过很少或没有衰减传输数据。当一个天线用于发射和接收,或与一个以上的协议一起使用时,这一点尤其重要。

  射频滤波器图像

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  图1:RF收发器内部和外部都需要广泛的滤波器。更好的外部分立器件性能允许内部如果和基带滤波器分享不同的协议和带中常见的一种路径。

  对于标准”在今天使用的“收音机,以及下一代收音机,较小的更完整的过滤块像Johanson的2450bp07a0100t单片机的带通滤波器进行高度优化为Wi-Fi的2.4 GHz频段,在这种情况下。

  注意,更好的组件匹配是通过这些单片组装实现的。这是因为要将部件特性与在不同制造过程中制造的零件相匹配更困难。因此,这些组合部件可以显示比使用分立元件容易实现的更高的公差。

  在这种情况下,0402种形式的因素提供了一个紧凑的2.45 GHz的中心频率与一个非常小的1×0.5毫米面积和0.43毫米高度100兆赫带宽。另外一个因素是,组合部分组件的取向往往可以利用三维叠层降低噪声和干扰之间的阶段。

  约翰森提供产品培训模块描述如何集成的单片滤波器可以提供更好的性能,在生产过程中的可靠性和一致性。请注意,这些部分中的几个可以结合起来提高性能。举例来说,增加低通低通滤波器可以帮助阻止双频高频率,如5 GHz的高频无线LANs使用。级联过滤元素就像在过滤器中添加更多的极点,它可以提高性能。然而,也会有信号衰减,因此可能需要更灵敏的前端放大器,特别是对于多频带操作。

  点击相同的天线点为2.4 GHz低带通滤波器可以被更高频率的带通滤波器5 GHz的为好,如tdkdea105425bt-1293a1。从TDK的445-7845-kit演示/开发工具包,允许900兆赫和2.4兆赫的实验和双工器、滤波器包含几个针对常见的协议。


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  它不仅仅是一个在特定波段工作的协议。例如,在2.4 GHz ISM频段,Wi-Fi,蓝牙,ZigBee,w6lowpan,ANT +、GSM、DECT、和一些其他的协议可能需要并存。在占用频谱能量的同时,可以使用不同的调制技术和不同的跳频算法。因此,您将希望选择允许带宽特性不同的滤波器,如宽度和数据速率。

  采取,例如,多层陶瓷太阳诱电fi105l250014-t滤波器,其目的是服务的无线局域网和蓝牙。同样,在johanson1810bp07b200t瞄准了GSM和CDMA蜂窝应用。当传输路径必须服务的几个互带和协议,基于电感共模滤波器也可以路由只期望信号的滤波和解调器有用。这些也越来越小了。考虑,例如,约翰森技术集成无源元件或该acmf-03和acmf-04薄膜滤波器良好的高达6 GHz的系列。整合提供了很好的温度范围(55º+ 150ºC)与阻抗在35Ω,该是acmf-03-350-t,65Ωacmf-03-650-t,并在90Ω供应商的acmf-04-900-t.注意,不同的芯片制造商的部分可能是非50 -Ω传输路径的优化。还要注意它们在参考设计中引用的部件的特性。

  某些功能,如GPS,可能不希望与其他频段共享天线和跟踪。当锁定微弱的卫星信号时,非常特定的前端电子学可以起到作用。这允许特定天线和独立放置天线以获得最佳接收。GPS的特殊形状因子减小电路也变得更加精细。看一看,例如,在RF SAW滤波器从村田电子专门为GPS接收机。


  配器

  类似的过滤器但服务接口半导体发射器PCB SMT天线伦基本上把单端传输线为天线差分驱动器。差动连接是最小化共模噪声的关键,可以显著改善信号质量。

  巴伦可以半打分立元件集成到一个单一的,小型表面安装部分(图2),也可用于标准以及通用频率。他们匹配阻抗,有传输线特性,并可以要求非常具体的介质和印刷电路板材料。

  图像做

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  图2:单片内吸收的几个关键要素,并与离散的解决方案,具有良好的均衡匹配的组件。

  因为巴伦接口发送路径直接到天线,它还必须能够处理在该频段的最大允许能量相关的功率水平。通常,一个巴伦将能够处理的功率几瓦。

  例如,约翰森2450系列2450bl15b100e巴伦的Wi-Fi和蓝牙。这股相同的载波频率,但容易通过调制的Wi-Fi和蓝牙技术,可以处理高达3瓦的50或100Ω阻抗。

  数据链接,需要全双工操作,现代的双工器,双工器可以让一个射频部分被传输而接收状态选择不同的信号来自同一天线的同时(图3)。成分如Avago acmd-7402-blk放进小3引脚SMT封装或0402包像薄膜TDK tfsd10055950-5102a2或2.4 GHz和5 GHz的无线局域网,如802.11n的TDK dpx165850dt-8017a1双工器。

  双工器双工器的图像

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  图3:良好的衰减高,低,和带通滤波器,双工器,双工器内部整体做过唯一感兴趣的频率很好的休息而衰减。


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  随着现代小波长频带使用PCB天线已经显示出其有效性,创造一个低成本的、相当可靠的收发天线。虽然有效,许多这样的设计需要非常特殊的介质和保留区。

  结果,外部天线在天线布局中提供了更大的灵活性。这可以通过允许收发点位于远离嘈杂的数字线路提高性能,甚至让嵌入式micrcontrollers选择基于实时RSSI信息不同的天线。

  几个很好的进行整体表面安装天线容易以较低的成本让这种灵活性,包括tdkant016008lcd2442ma1(图4),这是一种多层陶瓷双波段(2.4 GHz和5 GHz)高效率的天线封装在一个0603式的表面贴装封装。它的高度只有0.4毫米,使得它足以满足大多数紧凑型设计。

  TDK ant016008lcd2442ma1图像

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  图4:多层陶瓷天线体积小,体积小,往往比单个分立无源元件占用更少的空间。

  另一个有趣的天线选项是角安装单元,它可以使天线远离中心或单边安装解决方案不能的障碍物。

  例如,在a10464 Antenova已经小于0.5毫米的高度,可以用一个小角落安装反射你的PCB GSM应用(图5)。尤其是在手机中,头部可能是干扰的来源。角形支架允许更清晰的路径和更多的机会与塔或卫星的视线连接。

  Antenova的a10464角安装天线图像

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  图5:角安装天线可以提供更好的视线特性,在手持应用中,如接近头部的手机可以衰减信号。


  在总结

  大量使用的标准无线电仍在缩小,以便与其他有线和无线链路进行更多的集成。而高度集成的器件处理设计的主动部分已经建立,支持的协议比较好,外部分立器件和无源器件往往比在优化性能和成本的芯片解决方案更好的工作。本系列的第2部分将讨论分立和死模的有源无线电元件。

  1. 所了解的集成化的射频收发模块AD93XX系列,牛逼。