如何有效應(yīng)對(duì)多頻手機(jī)中的天線設(shè)計(jì)問(wèn)題

現(xiàn)在手機(jī)中的射頻信號(hào)通道越來(lái)越擁擠。蜂窩電話已經(jīng)從雙頻向三頻甚至四頻快速發(fā)展。這些復(fù)雜手機(jī)還需要處理來(lái)自外圍無(wú)線設(shè)備的各種信號(hào)，如藍(lán)牙、Wi- Fi和GPS。而隨著WiMAX和LTE(4G)的加入，這種復(fù)雜度將越來(lái)越高。在移動(dòng)電話中，天線開關(guān)控制著天線接入所有這些無(wú)線信號(hào)，實(shí)質(zhì)上起著網(wǎng)守 的作用。

多頻手機(jī)設(shè)計(jì)面臨著很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗羞@些信號(hào)工作在不同的帶寬，而且它們都需要接入天線。為了取得最優(yōu)的性能和外形尺寸，它們最好能通過(guò)單個(gè)射頻開關(guān) 接入天線。對(duì)開關(guān)制造商來(lái)說(shuō)，這意味著從單刀四擲(SP4T)相應(yīng)發(fā)展到SP7T甚至SP9T配置才能處理越來(lái)越多的信號(hào)。這種先進(jìn)的開關(guān)需要能夠處理由 寬帶CDMA(WCDMA)和低功率I/O無(wú)線設(shè)備帶來(lái)的額外移動(dòng)通信頻段的接入。

可以預(yù)期的是，手機(jī)復(fù)雜性會(huì)越來(lái)越高，要求能夠處理更多頻段的信號(hào)。市場(chǎng)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 發(fā)生合并，射頻電路中由于合并留出的空間也會(huì)很快被越來(lái)越流行的、也需要接入天線的外圍無(wú)線電設(shè)備和功能所擠占。

為了支持互聯(lián)網(wǎng)、多媒體和視頻，3G移動(dòng)手機(jī)市場(chǎng)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(dòng)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 平。

多頻手機(jī)中的任何設(shè)計(jì)折中都要求滿足或超過(guò)所有標(biāo)準(zhǔn)提到的性能等級(jí)。一般情況下，多模多頻的移動(dòng)手機(jī)使用單個(gè)功放模塊來(lái)處理四頻GSM/EDGE信號(hào)。另 一方面，每個(gè)WCDMA頻段需要使用它自己的獨(dú)立功放。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(lái)管理所有的 信號(hào)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)，但與使用單個(gè)SP6T開關(guān)相比這種方法將產(chǎn)生較高的插入損耗。

射頻設(shè)計(jì)師需要特別關(guān)注插入損耗，因?yàn)樗苯佑绊懝Ψ诺墓β矢郊有?PAE)。GSM功放的最大飽和功率一般是3W，平均PAE是55%。必需達(dá)到這個(gè) 效率水平才能確保較長(zhǎng)的電池使用時(shí)間，因?yàn)槭謾C(jī)總電流的一半用在功放上。鑒于此，設(shè)計(jì)師需要將保持功放的PAE定在最高優(yōu)先等級(jí)。一些早期的多頻 WCDMA/GSM手機(jī)使用獨(dú)立的WCDMA和GSM信號(hào)鏈，并采用獨(dú)立的天線和無(wú)線設(shè)計(jì)。盡管這種方案在原型和第一代設(shè)計(jì)中非常有效，但市場(chǎng)需要具有更 高性價(jià)比且節(jié)省空間的方案。顯然，業(yè)界要求集成式ASM能夠處理7個(gè)甚至9個(gè)信號(hào)。

圖1：IP3與器件的三階交調(diào)失真(IMD3)性能有關(guān)。

針對(duì)這個(gè)需求，業(yè)界開發(fā)出了SP7T開關(guān)來(lái)支持具有1個(gè)WCDMA和4個(gè)GSM頻段的手機(jī)架構(gòu)。例如PE42672就是采用UltraCMOS工藝技術(shù)開 發(fā)的單片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3GPP IMD3規(guī)范兼容的手機(jī)設(shè)計(jì)和高效的射頻前端要求。IP3與設(shè)備的三階交調(diào)失真(IMD3)性能相互關(guān)聯(lián)，這些相位上的指標(biāo)如圖1所示。

SP6T開關(guān)是開關(guān)架構(gòu)方面的最新成果之一。經(jīng)過(guò)配置它可以處理多個(gè)頻段的WCDMA、GSM和外圍無(wú)線設(shè)備。例如圖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)功放模塊的通道(每個(gè)WCDMA頻段要求使用自己的功放和雙工器)。這個(gè)開關(guān)還能處理只有單個(gè)功放模塊與之相連的四頻 GSM/EDGE(包含2個(gè)功放芯片)。從實(shí)際效果看，這個(gè)設(shè)備必須通過(guò)受簡(jiǎn)單解碼器控制的單個(gè)開關(guān)傳送5個(gè)高功率信號(hào)。

圖2：SP9T正在處理三頻段的WCDMA，它提供了到達(dá)雙工器和三個(gè)功放模塊的通道。

隨著多頻段架構(gòu)的普及，對(duì)功放和相關(guān)濾波器的數(shù)量提出了嚴(yán)格的要求。事實(shí)上，對(duì)功放的技術(shù)要求沒(méi)有變化，但手機(jī)設(shè)計(jì)需要使用更多的功放。因此真正改變的是需要一個(gè)特別高效的方法將所有射頻信號(hào)傳送給天線-單片開關(guān)。

手機(jī)中增加的頻段越多，對(duì)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(duì)器件性能也帶來(lái)了很大的壓力。通過(guò)利用UltraCMOS制造工藝的 線性優(yōu)勢(shì)，圖2中的單片PE42693 SP6T可以保持其前代SP7T開關(guān)+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的-105dBm(圖1)。

SP6T功能可以用GaAs器件實(shí)現(xiàn)，但它需要額外的器件，例如CMOS譯碼器和驅(qū)動(dòng)器，這將極大地影響所需I/O的數(shù)量。對(duì)要求高度線性和隔離的5個(gè)高功率端口來(lái)說(shuō)挑戰(zhàn)尤其艱巨，因?yàn)镮/O數(shù)量越多，線的耦合和粘合的可能性就越大。

圖3：UltraCMOS SP9T不需要片外ESD器件或線性度增強(qiáng)匹配器件。黃框代表譯碼器，藍(lán)框代表ESD，綠框代表電壓生成器。

隨著多頻段手機(jī)越來(lái)越流行，對(duì)高集成度、小型天線開關(guān)的需求也越來(lái)越迫切。UltraCMOS SP7T開關(guān)現(xiàn)在已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，SP9T也在2007年底投入批量生產(chǎn)。在外形方面，GaAs SP7T為1.6x1.5mm，而采用SOS工藝SP7T開關(guān)只有1.2x1.0mm，面積縮小了一半。目前的GaAs E/D pHemt或J-pHemt SP9T開關(guān)外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相比，采用UltraCMOS 0.5μm工藝制造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm(圖3)，它不需要片外ESD器件和性能增強(qiáng)匹配器件。UltraCMOS發(fā)展規(guī)劃預(yù)計(jì) 0.25μm版本的SP9T尺寸將達(dá)到1.32x1.29mm。

縮小尺寸的另外一種方式是將開關(guān)倒裝在結(jié)實(shí)的低溫共燒陶瓷(LTCC)基底上，無(wú)需占用以前線綁定所需的面積。目前晶圓級(jí)芯片尺寸封裝正在開發(fā)中，它所生產(chǎn)的UltraCMOS開關(guān)可以如同標(biāo)準(zhǔn)表貼封裝那樣處理。

在使用UltraCMOS制造的開關(guān)后，設(shè)計(jì)師可以省去其它開關(guān)技術(shù)要用到的譯碼器、隔直電容和雙工器。配合芯片尺寸封裝技術(shù)， 這種工藝可以顯著減小ASM的尺寸和厚度。另外，其固有的ESD容差和單片CMOS接口可以簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)和使用。UltraCMOS工藝的極高良品率和增加開 關(guān)方向的靈活性可以使未來(lái)新一代的手機(jī)具有更高的集成度，能夠解決多頻段手機(jī)體積縮小所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

多模多頻段GSM/WCDMA手機(jī)的技術(shù)要求已經(jīng)超過(guò)了傳統(tǒng)RFIC技術(shù)(如GaAs)的極限。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)，但關(guān)鍵是要認(rèn)識(shí)到對(duì)系統(tǒng)天線的顯著影響。天線必須能夠高效輻射從800到2200MHz的信號(hào)，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)界正在尋找新的技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，考慮到天線匹配問(wèn)題，可能使用開關(guān)和集總調(diào)諧元件?？傊?，射頻開關(guān)必須能夠切換最多 9條大功率射頻信號(hào)通道，并且要具有低插損、高隔離和線性度。