Como otimizar o SWaP em cadeias de sinais de RF de alto desempenho

A demanda por conectividade sem fio de alto desempenho continua a aumentar em uma gama cada vez maior de aplicações, desde smartphones a laptops, tablets, vestíveis, drones, pontos de acesso e casas inteligentes e eletrodomésticos habilitados para Internet das Coisas (IoT). Para os projetistas destes dispositivos, um diferencial crítico é a experiência do usuário final, que em grande parte é determinada pela qualidade, taxa de transferência e confiabilidade do sinal sem fio, assim como a vida útil da bateria. O tamanho e o peso do dispositivo também são diferenciais importantes, particularmente em vestíveis. Para os projetistas, a otimização destes parâmetros requer uma análise cuidadosa de todos os aspectos da cadeia de sinais de radiofrequência (RF), o que pode ser um desafio assustador tanto para os especialistas quanto para os novatos em RF.

Este artigo analisa várias partes da cadeia de sinais de RF e descreve como os sintonizadores de antena, comutadores cruzados de RF, comutadores de diversidade de antenas, amplificadores de baixo ruído (LNAs) e transistores de RF de baixo ruído contribuem para soluções de alto desempenho, bem como analisa as opções de interface de controle. Em seguida, apresenta componentes exemplares da Infineon e mostra como eles suportam projetos de RF de alto desempenho, ao mesmo tempo em que atendem a requisitos cada vez mais exigentes de tamanho, peso e potência (SWaP). Por fim, compara duas opções de invólucros pequenos e sem terminais condutores (TSNP) para soluções compactas de RF.

Fundamentos de antena

O desempenho da antena é crítico nos dispositivos conectados hoje em dia. A sintonia pode permitir que uma única antena proporcione um bom desempenho em várias bandas de frequência e contribua para uma solução mais compacta e eficiente. Os projetistas podem usar comutadores na seção do sintonizador da cadeia de sinais de RF para maximizar a transferência de energia para a antena e otimizar o desempenho conforme exigido pelos requisitos específicos da aplicação (Figura 1).

Figura 1: Os comutadores de sintonia de antenas são usados na seção do sintonizador para otimizar o desempenho da antena. (Fonte da imagem: Infineon)

Comutadores cruzados de RF

Em muitas aplicações, a sintonia da antena é uma condição necessária mas não suficiente para garantir um ótimo desempenho. Nesses casos, mais de uma antena pode ser necessária. Um comutador cruzado de RF pode ser adicionado à cadeia de sinais para permitir a seleção da antena que fornece o melhor desempenho em uma determinada situação, aumentando a potência de transmissão ou a sensibilidade do receptor (Figura 2). Os comutadores cruzados de RF precisam fornecer chaveamento eficiente e rápido para suportar trocas úteis de antenas, e precisam ter alta isolação, baixa perda de inserção e gerar baixos harmônicos para suportar a operação eficiente e confiável do sistema.

Figura 2: O uso de um comutador cruzado de RF permite a seleção da antena com melhor desempenho para uplinks ou downlinks. (Fonte da imagem: Infineon)

Comutadores de diversidade e LNAs

Às vezes, a mudança para a melhor antena ainda é insuficiente para suportar a largura de banda necessária. Quando isso acontece, um canal adicional chamado de caminho de diversidade é adicionado à cadeia de sinais de RF. A diversidade de antenas melhora a qualidade e a confiabilidade da transmissão e da recepção. Os comutadores de diversidade são usados em uma gama de aplicações, desde equipamentos de rede Wi-Fi até smartphones e computadores tablet. Estes comutadores podem ser usados para compensar a interferência multi-caminho na recepção do sinal. O receptor monitora os sinais de entrada e alterna entre as antenas com base na força relativa do sinal. Como no caso dos comutadores cruzados de RF, os comutadores de diversidade precisam ter alta isolação, baixas perdas de inserção e gerar baixos harmônicos.

Os LNAs são outra parte fundamental da cadeia de sinais de RF (Figura 3). Como as várias abordagens de gerenciamento de antenas, o uso de LNAs pode melhorar a qualidade de recepção e aumentar as taxas de dados. Os LNAs estão disponíveis com um ganho fixo ou com várias etapas de ganho que podem ser usadas para ajuste fino do desempenho. Os LNAs baseados na tecnologia de circuito integrado monolítico de microondas (MMIC) têm sido produzidos tradicionalmente usando a tecnologia de arseneto de gálio (GaAs). Os MMICs LNA de silício-germânico (SiGe), desenvolvidos mais recentemente, podem suportar as frequências necessárias a um custo mais baixo. Os LNAs são dispositivos altamente compactos que podem ser facilmente integrados em invólucros muito pequenos. Além disso, os MMICs LNA estão disponíveis com proteção integrada contra descargas eletrostáticas (ESD), e seu baixo consumo de energia os torna bem adequados para dispositivos móveis e vestíveis onde o SWaP é uma consideração importante.

Figura 3: O uso de comutadores de diversidade e LNAs pode ajudar a melhorar a qualidade de recepção e aumentar as taxas de dados. (Fonte da imagem: Infineon)

Interfaces de controle

Os comutadores de sintonia de antenas, comutadores cruzados e comutadores de diversidade geralmente requerem uma interface com o controlador do sistema. Em implementações simples, uma interface de entrada/saída de uso geral (GPIO) é frequentemente utilizada. Uma GPIO é um pino de sinal não comprometido e controlável por software em um CI que pode ser programado para atuar como uma entrada ou saída, ou ambos, conforme necessário.

Para necessidades de controle mais complexo, o padrão MIPI (Mobile Industry Processador Interface) é geralmente utilizado. A interface de controle MIPI do front-end de RF (RFFE) foi otimizada para uso em cadeias de sinais de RF de alto desempenho para fornecer funções rápidas de controle, semi-automatizadas e extensivas. O MIPI RFFE pode incluir até 19 dispositivos por barramento (até quatro dispositivos líderes e 15 dispositivos seguidores). É projetado para uso com LNAs, sintonizadores de antena, comutadores, amplificadores de potência e filtros. O MIPI RFFE pode facilitar o projeto, configuração e integração de cadeias de sinais de RF, e suporta o uso de componentes de diferentes fornecedores.

LNA controlável via MIPI

Os projetistas podem usar o LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 da Infineon para cadeias de sinais de RF de alto desempenho. A interface MIPI pode controlar os oito modos de ganho e os 11 modos de polarização para aumentar a faixa dinâmica do sistema, acomodando ativamente as condições de mudança no ambiente de RF (Figura 4). É projetado para uso nas bandas 3GPP entre 1,4 e 2,7 gigahertz (GHz) (principalmente para as bandas B1, B3, n41 e B21). Pode fornecer uma figura de ruído de 0,6 decibéis (dB) e até 20,2 dB de ganho com 5,8 miliamperes (mA) de corrente. Opera com tensões de alimentação de 1,1 a 2,0 volts e é qualificado para aplicações industriais com base no JEDEC47/20/22.

Figura 4: A interface MIPI neste LNA pode controlar oito modos de operação de ganho e 11 modos de polarização para otimização de desempenho. (Fonte da imagem: Infineon)

Tem várias características que ajudam a atender às exigências desafiadoras do SWaP, incluindo:

• Tamanho: O TSNP-9 de nove pinos mede 1,1 × 1,1 milímetros (mm), e sua altura de 0,375 mm o torna bem adequado para aplicações com restrições de espaço.
• Peso: O invólucro TSNP-9 foi otimizado para uso onde o peso leve é uma exigência.
• Energia: O LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 tem uma corrente de desvio de apenas 2 microamperes (µA), prolongando os períodos de funcionamento da bateria.

Comutador de diversidade de antenas

O comutador de diversidade BGS12WN6E6327XTSA1 de banda larga de polo único e curso duplo (SPDT) da Infineon tem uma velocidade de chaveamento típica de 160 nanossegundos (ns), mais lógica integrada de controle (decodificador) e proteção contra ESD (Figura 5). Projetado para uso em redes Wi-Fi, Bluetooth e cadeias de sinais de RF de banda ultra-larga, qualquer uma das duas portas pode se conectar a uma antena de diversidade e lidar com até 26 dB, com referência a 1 milliwatt (dBm). É fabricado com tecnologia MOS e fornece o desempenho de um dispositivo GaAs, mas elimina a necessidade de capacitores externos de bloqueio CC nas portas RF, a menos que uma tensão CC externa seja aplicada.

O chip inclui lógica CMOS acionada por um único sinal de controle compatível com CMOS ou TTL. Apresenta alta isolação de porta-a-porta e baixas perdas de inserção até 9 GHz. Para reduzir tamanho e peso, o dispositivo vem em um invólucro PG-TSNP-6-10 que mede 0,7 × 1,1 mm com uma altura máxima de 0,375 mm. Pode operar com tensões de alimentação de até 4,2 volts com uma corrente de alimentação típica de 36 µA e uma corrente de controle de 2 nanoamperes (nA), maximizando o tempo de funcionamento em dispositivos alimentados por bateria.

Figura 5: O comutador de diversidade BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT pode chavear em 160 ns e inclui lógica integrada de controle e proteção contra ESD. (Fonte da imagem: Infineon)

Comutador cruzado de RF

O comutador cruzado de RF CMOS BGSX22G6U10E6327XTSA1 da Infineon foi projetado especificamente para aplicações GSM, WCDMA, LTE e 5G. Este comutador de polo duplo e curso duplo (DPDT) apresenta baixa perda de inserção em frequências de até 7,125 GHz, baixa geração harmônica e alta isolação entre suas portas de RF. Seu tempo de chaveamento de 1,3 microssegundos (µs) permite o suporte de aplicações de SRS (sounding reference signal) de 5G. Possui uma interface de controle GPIO e opera com tensões de alimentação de 1,6 a 3,6 volts. O invólucro PG-ULGA-10 mede 1,1 × 1,5 mm, tem espessura de 0,60 mm e é otimizado para aplicações com limitações de espaço e peso. Este dispositivo de baixa potência tem uma corrente de alimentação típica de 25 µA e uma corrente de controle de 2 nA.

Comutador de sintonia de antenas

Os projetos que requerem um comutador de sintonia de antena com polo único e quatro cursos (SP4T), otimizado para aplicações até 7,125 GHz, podem usar o BGSA14M2N10E6327XTSA1 da Infineon. As quatro portas de 0,85 ohm (Ω) de resistência são projetadas para uso em aplicações de sintonia com alto fator Q. A interface de controle digital MIPI RFEE simplifica a implementação em cadeias de sinais de RF. Sua capacidade de tensão de pico de 45 volts e baixa capacitância de 160 femtofarads (fF) no estado DESLIGADO o torna bem adequado para comutar indutores e capacitores em circuitos de casamento de antenas de RF sem perdas significativas (Figura 6). O invólucro TSNP-10-9 de 1,3 × 0,95 mm, 0,375 mm de altura, combinado com um consumo de corrente de 22 µA, torna este dispositivo capaz de suportar aplicações desafiadoras de SWaP.

Figura 6: O BGSA14M2N10E6327XTSA1 pode comutar de forma eficiente os indutores e capacitores nos circuitos de casamento de antenas de RF. (Fonte da imagem: Infineon)

Transístores de RF

Uma cadeia de sinais de RF de alto desempenho começa com o transceptor e o amplificador de RF. Isto requer transistores de RF de potência como o transistor bipolar de heterojunção (HBT) NPN de banda larga e de RF BFP760H6327XTSA1 da Infineon que apresenta:

• Baixa figura de ruído mínima (NF_min) de 0,95 dB a 5,5 GHz, 3 volts, 10 mA
• Alto ganho de potência máxima (G_ms) de 16,5 dB a 5,5 GHz, 3 volts, 30 mA
• Alta linearidade com ponto de interceptação de 3ª ordem na saída (OIP₃) de 27 dBm a 5,5 GHz, 3 volts, 30 mA

Este transistor de potência é qualificado para aplicações industriais. É projetado para uso em sistemas de comunicação sem fio e via satélite, dispositivos de navegação GPS, dispositivos móveis multimídia e outras aplicações de RF de alto desempenho.

Opções do invólucro TSNP

O pequeno tamanho dos invólucros TSNP requer tolerâncias estáveis de geometria na placa de circuito impresso, e deve ser usado um desenho de pad/eletrodo NSMD ("non-solder mask defined"). As tolerâncias de pad para NSMD são menores em comparação com a máscara de solda. Para NSMD, as trilhas na placa de circuito impresso devem ser de 100 micrômetros (µm) ou menos. Tipicamente, os pads da placa de circuito impresso para TSNP somente na parte inferior, como usado pelo LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1, o comutador de diversidade de antena BGS12WN6E6327XTSA1, e o comutador de sintonia de antena BGSA14M2N10E6327XTSA1 descritos acima, são concebidos transferindo o contorno do pad do invólucro e adicionando 25 µm ao redor das laterais dos pads.

Os projetistas precisam estar cientes de que existe mais de um estilo de pad TSNP. Há o pad padrão, e há pads projetados para inspeção óptica da ponta condutora ou LTI em inglês (Figura 7). Os dispositivos LTI requerem uma área de montagem maior, uma vez que a placa de circuito impresso precisa se estender além do contorno do invólucro por um mínimo de 400 μm (Figura 7). Embora o projeto LTI suporte a inspeção óptica, ele pode não ser adequado para projetos críticos de SWaP que requerem o menor tamanho possível da solução.

Figura 7: Estão disponíveis invólucros TSNP que utilizam pads padrões (esquerda), ou pads maiores otimizados para inspeção óptica (direita). (Fonte da imagem: Infineon)

Conclusão

As considerações de SWaP são importantes ao especificar sintonizadores de antena, comutadores cruzados de RF, comutadores de diversidade de antenas, LNAs e transistores de RF de baixo ruído em uma gama de dispositivos sem fio, portáteis e vestíveis. Como mostrado, a Infineon oferece aos projetistas uma gama de dispositivos para uso em aplicações de cadeia de sinais de RF de alto desempenho que também podem satisfazer os exigentes requisitos de SWaP. Usando esses dispositivos, os projetistas podem otimizar a confiabilidade e a largura de banda da cadeia de sinais de RF e prolongar a vida útil da bateria.

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