כיצד למטב את ה-SWaP בשרשרות אותות RF‏ עם ביצועים עיליים

הדרישה לחיבוריות אלחוטית עם ביצועים עיליים על פני מגוון רחב של יישומים, מסמארטפונים ועד מחשבים ניידים, טאבלטים, התקנים לבישים, רחפנים, נקודות גישה והתקנים התומכים בבית חכם ובאינטרנט של דברים (IoT) ממשיכה לעלות. עבור מתכנני התקנים אלו, גורם מבדל קריטי הוא חווית משתמש הקצה, הנקבעת במידה רבה על ידי האיכות, התפוקה והאמינות של האות האלחוטי, כמו גם אורך חיי הסוללה. גודל ומשקל ההתקן גם הם מבדלים חשובים, במיוחד בהתקנים לבישים. עבור המתכננים, אופטימיזציה של פרמטרים אלה דורשת בחינה מקרוב של כל ההיבטים של שרשרת האותות בתדר הרדיו (RF), היכולה להיות אתגר מרתיע הן עבור מומחים והן עבור מתחילים ב-RF‏.

מאמר זה סוקר חלקים שונים בשרשרת אותות RF ומתאר כיצד מקלטי אנטנות, מתגים צולבים RF, מתגי גיוון אנטנות (Antenna Diversity), מגברים בעלי רעש נמוך (LNA) וטרנזיסטורי RF בעלי רעש נמוך תורמים לפתרונות עם ביצועים עיליים. המאמר גם בוחן את אפשרויות ממשקי הבקרה. לאחר מכן יוצגו רכיבים לדוגמה של Infineon וכיצד הם תומכים בתכני RF עם ביצועים עיליים תוך עמידה בדרישות גודל, משקל והספק (SWaP) יותר ויותר תובעניות. המאמר יסיים בהשוואת שתי אפשרויות של מארז קטן ודק ללא-מוליכים (TSNP‏) עבור פתרונות RF קומפקטיים.

עיקרי אנטנות

ביצועי האנטנה הם קריטיים בהתקנים המחוברים של היום. כוונון מתאים יכול לאפשר לאנטנה בודדת לספק ביצועים טובים במספר פסי תדרים ולתרום לפתרון קומפקטי ויעיל יותר. המתכננים יכולים להשתמש במתגים במקטע טיונר האנטנה בשרשרת אותות RF כדי למקסם את העברת ההספק לאנטנה ולמטב את הביצועים בהתאם לדרישות היישום הספציפיות (איור 1).

איור 1: מתגי כוונון אנטנה משמשים במקטע הטיונר כדי למטב את ביצועי האנטנה. (מקור התמונה: Infineon)

מתגים צולבים RF‏

ביישומים רבים, כוונון האנטנה הוא תנאי הכרחי אך לא מספיק כדי להבטיח ביצועים אופטימליים. במקרים אלה ייתכן ויהיה צורך ביותר מאנטנה אחת. ניתן להוסיף מתג צולב RF לשרשרת האותות כדי לאפשר את בחירת האנטנה המספקת את הביצועים הטובים ביותר במצב נתון על ידי הגדלת הספק השידור או רגישות המקלט (איור 2). מתגים צולבים RF צריכים לספק מיתוג יעיל ומהיר כדי לתמוך בחילופי אנטנות שימושיים, והם צריכים להיות בעלי בידוד גבוה והפסדי תחיבה נמוכים ולייצר הרמוניות נמוכות כדי לתמוך בפעולת מערכת יעילה ואמינה.

איור 2: השימוש במתג צולב RF מאפשר לבחור את האנטנה בעלת הביצועים הטובים ביותר עבור קישורים כלפי מעלה או קישורים כלפי מטה. (מקור התמונה: Infineon)

מתגי גיוון אנטנות (Antenna Diversity) ומגברים עם רעש נמוך (LNA)

לפעמים המעבר לאנטנה הטובה ביותר עדיין אינו מספיק כדי לתמוך ברוחב הפס הנדרש. כשזה קורה, ערוץ נוסף הנקרא נתיב הגיוון (Diversity‏) מתווסף לשרשרת אותות RF. גיוון אנטנות משפר את האיכות והאמינות של השידור והקליטה. מתגי גיוון משמשים במגוון של יישומים, החל מציוד רשת Wi-Fi ועד לסמארטפונים ומחשבי טאבלט. ניתן להשתמש במתגים אלה כדי לפצות על הפרעות ממספר נתיבים בקליטה של אותות. המקלט מנטר את האותות הנכנסים ומחליף בין האנטנות על בסיס העוצמה היחסית של האותות. כמו במקרה של מתגים צולבים RF, מתגי גיוון צריכים להיות בעלי בידוד גבוה והפסדי תחיבה נמוכים ולייצר הרמוניות נמוכות.

LNAs הם חלק עיקרי נוסף בשרשרת אותות RF (איור 3). כמו הגישות השונות לניהול אנטנות, השימוש ב-LNAs יכול לשפר את איכות הקליטה ולהגביר את קצבי הנתונים. LNAs זמינים עם הגבר קבוע או עם מספר צעדי הגבר שניתן להשתמש בהם כדי לכוונן את הביצועים. LNAs המבוססים על טכנולוגיית מעגלים-משולבים מיקרוגל מונוליתיים (MMIC‏) יוצרו באופן מסורתי בטכנולוגיית גליום ארסניד (GaAs). LNA MMICs של סיליקון גרמניום (SiGe‏) שפותחו לאחרונה יכולים לתמוך בתדרים הדרושים בעלות נמוכה יותר. LNAs הם התקנים קומפקטיים ביותר שניתן לשלב אותם בקלות בתוך מארזים קטנים ביותר. בנוסף, LNA MMICs זמינים עם הגנה משולבת מפני פריקה אלקטרוסטטית (ESD), וצריכת ההספק הנמוכה שלהם הופכת אותם למתאימים היטב עבור התקנים ניידים והתקנים לבישים שבהם SWaP הוא שיקול חשוב.

איור 3: השימוש במתגי גיוון ו-LNAs יכול לעזור לשפר את איכות הקליטה ולהגביר את קצבי הנתונים. (מקור התמונה: Infineon)

ממשקי בקרה

מתגי כוונון אנטנות, מתגים צולבים ומתגי גיוון דורשים בדרך כלל ממשק עם בקר המערכת. במימושים פשוטים משתמשים לעתים קרובות בממשק כניסה/יציאה לשימוש כללי (GPIO)‏. GPIO הוא פין אותות ניתן-לבקרה בתוכנה על IC שניתן לתכנת אותו לפעול ככניסה או יציאה, או שניהם, לפי הצורך.

עבור צורכי בקרה מורכבים יותר משתמשים בדרך כלל בתקן ממשק מעבד תעשייתי נייד (MIPI). ממשק בקרה קצה-קדמי RF‏ MIPI‏ (RFFE‏) עבר אופטימיזציה עבור שימוש בשרשרות אותות RF עם ביצועים עיליים כדי לספק פונקציות בקרה מהירות, חצי-אוטומטיות ונרחבות. ה-MIPI RFFE יכול לכלול עד 19 התקנים לכל אפיק (עד ארבעה התקני מוביל (Leader) ו-15 התקני עוקב). הוא מתוכנן לשימוש עם LNAs, מקלטי אנטנות, מתגים, מגברי הספק ומסננים. MIPI RFFE יכול להקל על התכנון, התצורה והשילוב של שרשרות אותות RF, והוא תומך בשימוש ברכיבים של ספקים שונים.

LNA מבוקר MIPI‏

המתכננים יכולים להשתמש ב-LNA‏ BGA9H1MN9E6329XTSA1 של Infineon עבור שרשרות אותות RF עם ביצועים עיליים. ממשק MIPI יכול לבקר שמונה אופני הגבר ו-11 אופני ממתח כדי להגדיל את התחום הדינמי של המערכת על ידי התאמה אקטיבית של תנאים משתנים בסביבת ה-RF (איור 4). הוא מתוכנן עבור שימוש בפסי-תדר 3GPP בין 1.4 ל-2.7 גיגה-הרץ (GHz) (בעיקר עבור פסי B1, B3, n41 ו-B21). הוא יכול לספק ספרת רעש של 0.6 דציבל (dB) והגבר של עד dB‏ 20.2 עם זרם של 5.8 מיליאמפר (mA). הוא פועל עם מתחי הספקה בין 1.1 ל-2.0 וולט והוא מורשה עבור יישומים תעשייתיים על בסיס JEDEC47/20/22‏.

איור 4: ממשק ה-MIPI ב-LNA זה יכול לבקר שמונה אופני הגבר ו-11 אופני ממתח לטובת מיטוב הביצועים. (מקור התמונה: Infineon)

יש לו מספר מאפיינים העוזרים לעמוד בדרישות SWaP מאתגרות, כולל:

• גודל: TSNP-9 עם תשעה פינים בגודל 1.1 × 1.1 מילימטרים (מ"מ), והגובה של 0.375 מ"מ הופכים אותו למתאים היטב עבור יישומים מוגבלי-מקום.
• משקל: מארז TSNP-9 עברה אופטימיזציה עבור שימוש כאשר משקל קל מהווה דרישה.
• הספקת-כוח: ל-BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA יש זרם ממתח של 2 מיקרו-אמפר (µA) בלבד, המאריך את משך פעולת הסוללה.

מתג גיוון אנטנות

מתג הגיוון בפס-רחב BGS12WN6E6327XTSA1 של Infineon הוא של קוטב-יחיד, דרך-כפולה (SPDT‏) ולו מהירות מיתוג טיפוסית של 160 ננו-שניות (ns), ובנוסף לוגיקת בקרה משולבת (מפענח) והגנת ESD (איור 5). מתוכנן לשימוש בשרשרות אותות RF‏, Wi-Fi‏, Bluetooth‏ ופס-אולטרה-רחב, כל אחת משתי נקודות-החיבור יכולה להתחבר לאנטנת גיוון ולטפל בעד dB‏ 26, עם ייחוס של 1 מיליוואט (dBm). הוא מיוצר בטכנולוגיית MOS ומעניק ביצועים של התקן GaAs, אך חוסך את הצורך בקבלים חיצוניים חוסמי DC ביציאות ה-RF אלא אם כן צפוי להיות מופעל מתח DC חיצוני.

השבב כולל לוגיקת CMOS הנדחפת על ידי אות בקרה יחיד תואם CMOS או TTL. יש לו בידוד גבוה מנקודת-חיבור לנקודת-חיבור והפסדי תחיבה נמוכים עד GHz‏ 9‏. כדי להקטין את הגודל והמשקל, ההתקן מגיע במארז PG-TSNP-6-10 במידות 0.7 × 1.1 מ"מ עם גובה מקסימלי של 0.375 מ"מ. הוא יכול לפעול עם מתחי הספקה של עד 4.2 וולט עם זרם הספקה טיפוסי של 36 מיקרו-אמפר וזרם בקרה של 2 ננו-אמפר (nA), ולמקסם את משך הפעולה של התקנים מוזני-סוללות.

איור 5: מתג הגיוון BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT יכול למתג ב-ns‏ 160 והוא כולל לוגיקת בקרה משולבת והגנת ESD. (מקור התמונה: Infineon)

מתג צולב RF

המתג הצולב RF CMOS‏ BGSX22G6U10E6327XTSA1‏ של Infineon תוכנן במיוחד עבור יישומי GSM, WCDMA, LTE ו-5G. מתג שני-קטבים, שתי-דרכים (DPDT) זה כולל הפסדי תחיבה נמוכים נמוך בתדרים של עד GHz‏ 7.125, יצירת הרמוניות נמוכות ובידוד גבוה בין נקודות-חיבור ה-RF שלו. זמן המיתוג שלו של 1.3 מיקרו-שניות (µs) מאפשר תמיכה ביישומי אות ייחוס צלילי (SRS‏) עבור 5G‏. יש לו ממשק בקרה GPIO והוא פועל עם מתחי הספקה מ-1.6 עד 3.6 וולט. גודל מארז PG-ULGA-10‏ הוא 1.1 × 1.5 מ"מ, עובי 0.60 מ"מ והוא מותאם עבור יישומים מוגבלי-מקום ומשקל. להתקן בהספק-נמוך זה יש זרם הספקה טיפוסי של µA‏ 25‏ וזרם בקרה של nA‏ 2‏.

מתג כוונון אנטנה

תכנים הדורשים מתג כוונון אנטנה קוטב-יחיד, ארבע-דרכים (SP4T) המותאם ליישומים של עד GHz‏ 7.125 יכולים להשתמש ב-BGSA14M2N10E6327XTSA1 של Infineon. ארבעת נקודות-החיבור עם התנגדות מצב-מופעל של 0.85 אוהם (Ω‏) מתוכננות עבור שימוש ביישומי כיוונון Q גבוה. ממשק הבקרה הדיגיטלי MIPI RFEE מפשט את המימוש בשרשרות אותות RF. יכולת שיא המתח שלו של 45 וולט והקיבוליות הנמוכה של 160 פמטו-פאראד (fF) במצב מופסק הופכים אותו למתאים היטב למיתוג משרנים וקבלים במעגלי התיאום של אנטנות RF ללא הפסדים משמעותיים (איור 6). מארז TSNP-10-9 בגודל 1.3 × 0.95 מ"מ, גובה 0.375 מ"מ, בשילוב עם צריכת זרם של 22 מיקרו-אמפר, הופכים התקן זה למסוגל לתמוך ביישומי SWaP מאתגרים.

איור 6: ה-BGSA14M2N10E6327XTSA1 יכול למתג ביעילות משרנים וקבלים במעגלי תיאום אנטנות RF. (מקור התמונה: Infineon)

טרנזיסטורי RF

שרשרת אותות RF עם ביצועים עיליים מתחילה במקטע של מקמ"ש ומגבר RF. זה מצריך טרנזיסטורי הספק RF כמו טרנזיסטור ביפולרי Heterojunction‏ (HBT‏) RF‏ NPN‏ בפס-רחב BFP760H6327XTSA1‏ של Infineon‏ עם המאפיינים:

• ספרת רעש מינימלית נמוכה (_min‏NF‏) של dB‏ 0.95 ב- GHz‏ 5.5‏, 3 וולט, mA‏ 10‏
• הגבר הספק מקסימלי גבוה (_ms‏G) של dB‏ 16.5 ב-GHz‏ 5.5‏, 3 וולט, mA‏ 30‏
• ליניאריות גבוהה עם נקודת מפגש מסדר שלישי ביציאה (_3‏OIP) של dBm‏ 27 ב-GHz‏ 5.5‏, 3‏ וולט, mA‏ 30‏

טרנזיסטור הספק זה מתאים עבור יישומים תעשייתיים. הוא מתוכנן עבור שימוש במערכות תקשורת אלחוטיות ולווייניות, התקני ניווט GPS, התקני מולטימדיה ניידים ויישומי RF אחרים עם ביצועים עיליים.

אפשרויות מארז TSNP

הגודל הקטן של מארזי TSNP מחייב טולרנסים גיאומטריים יציבים על לוח המעגלים המודפסים, ויש להשתמש בתכן פדים המוגדר ללא-מסכת הלחמה (NSMD‏). טולרנסי הפדים עבור NSMD‏ הם נמוכים יותר בהשוואה למארזים חסיני הלחמה. עבור NSMD, הפסים המוליכים על לוח המעגלים המודפסים צריכים להיות 100 מיקרומטר (µm‏) או פחות. בדרך כלל הפדים על לוחות מעגלים מודפסים עבור TSNP מלמטה-בלבד, כפי שמשמשים ב-GA9H1MN9E6329XTSA1 LNA, מתג גיוון אנטנות BGS12WN6E6327XTSA1, ומתג כוונון אנטנה BGSA14M2N10E6327XTSA1 המתואר לעיל, מתוכננים על ידי העברת מיתאר פדי המארז והוספת µm‏ 25 סביב צידי הפדים.

המתכננים צריכים להיות מודעים לכך שיש יותר מסגנון אחד של פדי TSNP. יש פדים סטנדרטיים, ויש פדים המתוכננים עבור בדיקות קצה מוליך (LTI‏) אופטית (איור 7‏). התקני LTI דורשים שטח הרכבה גדול יותר מכיוון שפדי לוח המעגלים המודפסים צריכים להתפשט מעבר למיתאר המארז בלפחות μm‏ 400 (איור 7). בעוד שתכן LTI תומך בבדיקה אופטית, ייתכן שהוא אינו מתאים עבור תכני SWaP קריטיים הדורשים את גודל הפתרון הקטן ביותר האפשרי.

איור 7: קיימים מארזי TSNP המשתמשים בפדים סטנדרטיים (משמאל), או בפדים גדולים יותר המותאמים עבור LTI אופטי (מימין). (מקור התמונה: Infineon)

סיכום

שיקולי SWaP הם חשובים בעת הגדרת טיונרים של אנטנות, מתגים צולבים RF, מתגי גיוון אנטנות, LNAs וטרנזיסטורי RF עם רעש נמוך במגוון של התקני אלחוט ניידים ולבישים. כפי שהוצג, Infineon מציעה למתכננים מגוון של התקנים עבור שימוש ביישומי שרשרות אותות RF עם ביצועים עיליים היכולים לעמוד גם בדרישות SWaP תובעניות. באמצעות התקנים אלה, המתכננים יכולים למטב את האמינות ואת רוחב-הפס של שרשרת אותות RF ולהאריך את חיי הסוללה.

קריאה מומלצת

1. כיצד להשתמש בחיישני טמפרטורה דיגיטליים עם דיוק גבוה בהתקנים לבישים לניטור בריאות
2. סקירה כללית של טכנולוגיית אלחוט עבור IoT‏