高效控制多模手機(jī)中的天線接收

　　過去幾年來，手機(jī)中的射頻信號通道越來越擁擠。移動電話已經(jīng)從雙頻向三頻甚至四頻快速發(fā)展。另外，這些多模手機(jī)還需要處理來自周邊無線設(shè)備的各種信號，如藍(lán)牙、WiFi和GPS。隨著WiMAX和LTE(4G)的加入，這種復(fù)雜度將越來越高。在移動手機(jī)中，天線開關(guān)控制著天線，以接取所有這些無線信號，扮演著網(wǎng)路守門員的角色。

　　多頻手機(jī)設(shè)計(jì)面臨著很大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗羞@些信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(guān)接取天線。對開關(guān)制造商來說，這意味著從單刀四擲(SP4T)相應(yīng)發(fā)展到SP7T甚至SP9T的配置，才能處理越來越多的信號。這種先進(jìn)的開關(guān)需要能夠處理由寬頻CDMA(WCDMA)和低功率I/O無線設(shè)備帶來的額外移動通訊頻段接取。

　　可預(yù)期的是，手機(jī)復(fù)雜性會越來越高，要求能夠處理更多頻段的信號。最可能的情況是，市場將至少標(biāo)準(zhǔn)化七個(gè)頻段，并且要留出一個(gè)空間給第八個(gè)頻段(LTE)使用。即使今后產(chǎn)生合并，射頻電路中由于合并留出的空間也會很快被越來越流行的、也需要接取天線的周邊無線電所占據(jù)。

　　管理信號流量

　　為了支援網(wǎng)際網(wǎng)路、多媒體和視訊應(yīng)用，3G移動手機(jī)市場已經(jīng)轉(zhuǎn)向WCDMA。相應(yīng)的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術(shù)。為了滿足全球需求，目前的GSM手機(jī)最多有4個(gè)發(fā)送(Tx)和4個(gè)接收(Rx)通道。增加WCDMA后每個(gè)新的頻段都要增加另外一個(gè)Tx/Rx通道。目前的移動手機(jī)設(shè)計(jì)傾向于采用4xGSM(850、900、1800、1900MHz)和3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此，手機(jī)復(fù)雜度已經(jīng)達(dá)到空前的水準(zhǔn)。

　　射頻前端設(shè)計(jì)師主要負(fù)責(zé)天線開關(guān)模組(ASM)、前端模組(FEM)和發(fā)送模組；其中ASM通常包括開關(guān)、解碼器、功率放大器(PA)低通濾波器、ESD電路和電壓產(chǎn)生器。對射頻設(shè)計(jì)師而言，多頻應(yīng)用意味著艱巨的架構(gòu)、性能和成本挑戰(zhàn)。多頻手機(jī)中的任何設(shè)計(jì)折衷都要求手機(jī)滿足或超過所有標(biāo)準(zhǔn)提到的性能等級。

　　多模多頻的移動手機(jī)通常使用單一功率放大器模組處理四頻GSM/EDGE信號。另一方面，每個(gè)WCDMA頻段都需使用自己的獨(dú)立功率放大器。因此，具有一個(gè)WCDMA頻段的四頻GSM手機(jī)至少需要一個(gè)單刀六擲(SP6T)開關(guān)來管理所有的信號通道。當(dāng)然，設(shè)計(jì)師也可以使用一個(gè)雙工器和兩個(gè)SP3T(流行的GaAs配置)，但與使用單一SP6T開關(guān)相較，這種方法將產(chǎn)生較高的插入損耗。

　　射頻設(shè)計(jì)師必須關(guān)注插入損耗，因?yàn)樗苯佑绊懝β史糯笃鞯墓β矢郊有?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(dá)到這個(gè)效率水準(zhǔn)才能確保較長的電池使用時(shí)間，因?yàn)槭謾C(jī)總電流的一半是用在功率放大器上。有鑒于此，設(shè)計(jì)師必須將保持功率放大器的PAE放在最高優(yōu)先等級。

　　一些最早的多頻WCDMA/GSM手機(jī)采用獨(dú)立的WCDMA和GSM信號鏈，并采用獨(dú)立的天線和無線設(shè)計(jì)。雖然這種方案在原型和第一代設(shè)計(jì)中非常有效，但市場壓力要求更高性價(jià)比并且節(jié)省空間的方法。顯然，業(yè)界要求整合式ASM能夠處理7個(gè)甚至9個(gè)信號。

　　針對這個(gè)需求，業(yè)界開發(fā)出了SP7T開關(guān)來支援具有1個(gè)WCDMA和4個(gè)GSM頻段的手機(jī)架構(gòu)。如PE42672就是采用UltraCMOS制程技術(shù)開發(fā)的單片式SP7T，它能提供+68dBm的三階交調(diào)截取點(diǎn)(IP3)，這個(gè)線性度性能值可以滿足3GPPIMD3規(guī)格相容的手機(jī)設(shè)計(jì)和高效的射頻前端要求。IP3與設(shè)備的第三階交調(diào)失真(IMD3)性能關(guān)聯(lián)，這些相位上的指標(biāo)如圖1所示。

　　圖1：IP3與元件的第三階交調(diào)失真(IMD3)性能有關(guān)。

　　該圖顯示了UltraCMOSSP7T(PE42672)和SP9T(PE42693)的這些相位上指標(biāo)。

　　SP6T開關(guān)是開關(guān)架構(gòu)方面最新的成果之一。經(jīng)過配置它可以處理多個(gè)頻段的WCDMA、GSM和周邊無線設(shè)備。如圖2所示的開關(guān)可以處理三頻段的WCDMA，并提供到雙工器和3個(gè)功率放大器模組的通道(每個(gè)WCDMA頻段要求使用自己的功率放大器和雙工器)。這個(gè)開關(guān)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(gè)功率放大器晶片)。從實(shí)際效果看，這個(gè)設(shè)備必須通過受簡單解碼器控制的單個(gè)開關(guān)傳送5個(gè)高功率訊號。

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

　　開關(guān)要求

　　隨著多頻段架構(gòu)的普及，對功率放大器和相關(guān)濾波器的數(shù)量提出了嚴(yán)格的要求。事實(shí)上，對功率放大器的技術(shù)要求沒有變化，但手機(jī)設(shè)計(jì)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，將所有射頻信號傳送給天線──即單片開關(guān)。
　　手機(jī)中增加的頻段越多，對開關(guān)的技術(shù)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(guān)通?？赏ㄟ^超過+65dBm的IP3。過去，在只有GSM的設(shè)計(jì)中并沒有相似的線性度要求。+65dBm不僅是新的要求，同時(shí)是開關(guān)制造商難以達(dá)到的要求。透過利用UltraCMOS制造制程的線性優(yōu)勢，圖2中的單片PE42693SP6T可以保持其前一代SP7T開關(guān)+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的-105dBm(圖1)。

　　SP6T功能可以用GaAs元件實(shí)現(xiàn)，但它需要額外的元件，如CMOS解碼器和驅(qū)動器，這將大幅影響所需I/O的數(shù)量。例如，圖2中的SP9T要求4條控制線。而SP9T相似的GaAs實(shí)現(xiàn)需要18條控制線，使這些線出入單個(gè)元件非常困難。對要求高度線性和隔離的5個(gè)高功率埠來說，挑戰(zhàn)尤其艱巨，因?yàn)镮/O數(shù)量越多，線的耦合和黏合的可能性就越大。例如，PCS1900發(fā)送頻段與DCS1800接收頻段發(fā)生重疊。沒有好的隔離(35dB以上)，無用的帶內(nèi)信號就會通過濾波器而降低接收機(jī)的靈敏度。

　　持續(xù)微縮

　　隨著多頻段手機(jī)越來越流行，對高整合度、小型天線開關(guān)的需求也越來越迫切。UltraCMOSSP7T開關(guān)現(xiàn)在已經(jīng)開始量產(chǎn)，SP9T也在2007年底投入量產(chǎn)。在外形方面，GaAsSP7T為1.6x1.5mm，而采用0.5umSOS制程、具有相等或較小和較大信號性能的相似SP7T開關(guān)設(shè)計(jì)只有1.2x1.0mm，面積縮小了一半。目前已經(jīng)可用的GaAsE/DpHemt或J-pHemtSP9T開關(guān)外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相較，采用UltraCMOS0.5um制程制造的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(qiáng)匹配元件。依照UltraCMOS發(fā)展規(guī)劃，0.25um版本的SP9T尺寸將達(dá)到1.32x1.29mm。

　　圖3：這個(gè)UltraCMOSSP9T尺寸為1.7x1.1mm，不需要外部ESD元件或線性度增強(qiáng)匹配元件。黃框代表的是解碼器，藍(lán)框是ESD，綠框是電壓產(chǎn)生器。

　　縮小尺寸的另外一種方式是將開關(guān)覆晶安裝在結(jié)實(shí)的低溫共燒陶瓷(LTCC)基板上，無需占用傳統(tǒng)打線接合所需的面積。目前晶圓級晶片尺寸封裝正在開發(fā)中，它所生產(chǎn)的UltraCMOS開關(guān)可依照標(biāo)準(zhǔn)表面黏著進(jìn)行處理。

　　在使用UltraCMOS制造的開關(guān)后，設(shè)計(jì)師可以取消其他開關(guān)技術(shù)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(shù)，這種制程可顯著減少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(shè)計(jì)周程。最后，UltraCMOS制程的高良率和增加開關(guān)方向的靈活性，可使新一代手機(jī)具有更高的整合度，能夠解決多頻段行動手機(jī)體積縮小所帶來的持續(xù)挑戰(zhàn)。

　　對射頻元件的影響

　　多模多頻段GSM/WCDMA手機(jī)的技術(shù)要求已經(jīng)超過了傳統(tǒng)RFIC技術(shù)(如GaAs)極限。受這些超高性能要求影響最嚴(yán)重的是天線和射頻開關(guān)。

　　雖然本文主要討論的是天線開關(guān)，但仍需了解其對系統(tǒng)天線的顯著影響。天線必須高效的幅射從800到2200MHz的信號，在微型天線允許的外形尺寸下這是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)。目前業(yè)界正尋找新的技術(shù)來解決這個(gè)問題，考慮到天線匹配問題，可能使用開關(guān)和集總調(diào)諧單元?？傊?，射頻開關(guān)必須能夠切換最多9條大功率射頻信號通道，且要具有低插損、高隔離和線性度。

　　新型制造制程的發(fā)展和高整合度設(shè)計(jì)，正使得在最新、最復(fù)雜和最小的可攜式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)必要的多頻段性能成為可能。