支持長距離藍(lán)牙通信的高集成射頻前端模塊應(yīng)用分析

藍(lán)牙通信是工作于2.4GHz~2.48GHz頻段的時分復(fù)用(TDD)技術(shù)，旨在取代電纜來連接便攜式和/或固定設(shè)備，并保證高度安全性。藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)在于功能強(qiáng)大、耗電量低、成本低廉，可以同時處理數(shù)據(jù)和語音傳輸。依據(jù)發(fā)射輸出功率的不同，藍(lán)牙傳輸有3種距離等級：Class1約為100米；Class2約為10米；Class3約為2~3米。

針對長距離藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用，銳迪科微電子公司推出了RDAT224和RDAT212射頻前端模塊芯片。RDAT224芯片集成了功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)和T/R射頻開關(guān)。芯片的輸入和輸出已經(jīng)在模塊內(nèi)部匹配到50Ω。封裝形式采用適合射頻模塊設(shè)計(jì)的LGA，尺寸僅為55mm²，非常適合USB Dongle Class1產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

RDAT212芯片也同樣集成了PA、LNA和天線開關(guān)，并特別增加PA bypass及LNA bypass的省電功能。芯片的輸入和輸出已經(jīng)在模塊內(nèi)部匹配到50Ω，產(chǎn)品尺寸進(jìn)一步減小到33mm²。省電和小尺寸的優(yōu)點(diǎn)使得RDAT212芯片未來適用于手機(jī)藍(lán)牙以及802.11.b/g擴(kuò)展應(yīng)用。

同時，這兩款產(chǎn)品都具有不錯的線性度，支持Bluetooth 2.0的高速率應(yīng)用。

內(nèi)部電路組成

RDAT224射頻前端模塊內(nèi)集成的PA和LNA均采用先進(jìn)的砷化鎵異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(GaAs HBT)工藝制造，T/R射頻開關(guān)采用增強(qiáng)型高電子遷移率場效應(yīng)晶體管(E-PHEMT)工藝制造。盡管沒有采用差分PA的形式，但是RDAT224依然提供了差分輸入管腳，從而使用戶不需要再關(guān)心差分轉(zhuǎn)單端的設(shè)計(jì)。

PA在2.4GHz~2.5GHz頻段內(nèi)有20dB增益，這樣，RDAT224模塊在0dBm輸入條件下即可提供20dBm輸出功率，滿足Class1功率輸出要求。PA在21dBm輸出時的功率附加效率高達(dá)40%，有助于延長供電時間。

LNA在2.4GHz~2.5GHz頻段內(nèi)有15dB增益，靜態(tài)工作電流僅9mA，噪聲系數(shù)小于3dB，輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3為-5dBm。

模塊的輸入和輸出已經(jīng)在內(nèi)部匹配到50Ω，客戶應(yīng)用時不需要在PCB上設(shè)計(jì)匹配電路，使得PCB設(shè)計(jì)更加容易。PA的輸出諧波已經(jīng)抑制到-50dBc以下，應(yīng)用時外部通常已不需要濾波器。這樣模塊外部僅需少量濾波電容，極大地縮小了PCB尺寸，并降低了系統(tǒng)成本。

RDAT212增加了PA bypass及LNA bypass的省電功能。在Class1應(yīng)用時，模塊可以在0dBm輸入條件下提供20dBm的輸出功率；在Class2應(yīng)用時，模塊又可切換到PA bypass狀態(tài)，此時不消耗電流。

圖1：RDAT224內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：RDAT212內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

LNA采用了E-PHEMT工藝，進(jìn)一步降低了噪聲系數(shù)，并且提高了線性度。LNA在2.4GHz~2.5GHz頻段內(nèi)有13dB增益，靜態(tài)工作電流僅5mA，噪聲系數(shù)小于2dB，輸入三階交調(diào)點(diǎn)IIP3高達(dá)8dBm。LNA bypass功能既可以作為省電模式，又能增大接收機(jī)的動態(tài)范圍。

RDAT212的輸入和輸出已經(jīng)在內(nèi)部匹配到50Ω，并且芯片內(nèi)部集成了諧波抑制電路。

基于RDAT224的應(yīng)用系統(tǒng)原理

最初的藍(lán)牙設(shè)計(jì)由一系列分離的IC和支持電路組成并最終形成藍(lán)牙模塊。隨著技術(shù)的進(jìn)步，藍(lán)牙設(shè)計(jì)的集成度不斷增加，而外置器件則不斷減少。

圖3：藍(lán)牙適配器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理圖。

圖3給出了一個以RDAT224芯片為射頻前端模塊和一片藍(lán)牙SoC為基帶的模塊化解決方案。該SoC通過USB連接器直接與PC等設(shè)備直接相連，完成基帶功能并將信號上變頻為射頻信號傳送到T224射頻前端模塊，并同時提供了T/R射頻開關(guān)、PA、LNA的控制接口。RDAT224射頻前端模塊將射頻信號放大，然后通過射頻開關(guān)將信號傳送到天線。RDAT224的PA提供20dBm的輸出，可以使藍(lán)牙適配器的有效范圍達(dá)到100米。當(dāng)藍(lán)牙適配器接收信號時，射頻信號經(jīng)射頻開關(guān)傳送到LNA。RDAT224的LNA噪聲系數(shù)小于3dB，可以很大的提高接收鏈路的靈敏度。射頻信號經(jīng)LNA放大后由SoC實(shí)現(xiàn)下變頻，并由USB連接器傳送給PC等設(shè)備。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技巧與經(jīng)驗(yàn)

RDAT224射頻前端模塊將T/R射頻開關(guān)、PA和LNA集成在一起，極大地降低了藍(lán)牙模塊的復(fù)雜度。如果設(shè)計(jì)人員不使用上述高度集成模塊，那么他們必須非常嚴(yán)密地設(shè)計(jì)藍(lán)牙PCB。元件置放、跟蹤掃描、解耦、接地、屏蔽和板材等都是影響性能的重要因素，尤其是產(chǎn)品的射頻性能。如果使用RDAT224，那么設(shè)計(jì)人員將能規(guī)避這些問題，從而在最終設(shè)計(jì)中無需特別關(guān)注上述因素。另外，RDAT224也可有助于減小PCB的尺寸，進(jìn)一步減少成本。圖4給出了藍(lán)牙適配器的PCB照片?？梢钥吹矫娣e很小，除了RDAT224芯片和藍(lán)牙SoC芯片只有很少的外圍元件。

圖4：藍(lán)牙適配器的PCB實(shí)物圖