קטן יותר הוא טוב יותר: מזעור RF - חלק 1

על מנת להציע כיסוי כלל עולמי ולעמוד בדרישות השוק, סמארטפונים, טאבלטים והתקנים ניידים אחרים חייבים לתמוך ביותר פסי RF מבעבר ולכלול מספר הולך וגדל של פונקציות אלחוט. למרות העובדה שמעגלי ה-RF שלהם נעשים יותר מורכבים, התקנים אלה חייבים להשאר קומפקטיים באותה המידה, אם לא יותר קומפקטיים, עם כל דגם חדש. עם המחשבה הזאת, מתכננים מודעים לכך שאחד היתרונות של תדר גבוה יותר הוא שהרכיבים יכולים להיות קטנים יותר. במיוחד אנטנות ומשרנים יכולים להתכווץ לגדלים של PCB והרכבה משטחית. מעגלים משולבים גם כן יכולים לתרום ותרמו לחגיגת התכווצות זו כאשר process geometries מאפשרות את השילוב של יחידות RF שלמות שממזגות בצורה חלקה פונקציונליות דיגיטלית עם העולם האנלוגי של אפנון RF, דה-מודולציה, תאום אנטנה והתפשטות גלים.

מאמר זה מסתכל על המזעור של מערכות ורכיבי מפתח אחדים אשר יאפשרו למתכננים של קישורי אלחוט של הדור הבא (הלו, אינטרנט-של-דברים!) לספק אמצעי רדיו ותת-מערכות רדיו קטנים יותר ויעילים יותר. בחלק 1 זה אנחנו מסתכלים על הרכיבים הפסיביים האחרונים המשלבים מספר חלקים בדידים לגרסאות קטנות יותר להרכבה משטחית, ובכך מביאים לחסכון במקום ובעלויות ומשפרים ביצועים.

רכיבים אלה שימושיים עם שבבי מקמ"ש קישור רדיו סטנדרטיים, משולבים ברמה גבוהה, מודרניים, אשר מציעים כבר עתה פתרונות בגודל קטן. מאחר וסטנדרטים מבוססים אלה מהווים את הדור השלישי או הרביעי, מעגלים משולבים פסיביים ממוטבים ברמה גבוהה וכוללים קצה קדמי ממוזער, מסננים, שנאי Baluns ומבחר חלקים אחרים אשר יכולים לשמש פתרונות סטנדרטיים יחידים כמו Wi-Fi, או פרוטוקולים רבי-סטנדרטים כמו שילובי Wi-Fi ו-Bluetooth.

בחלק 2 נסתכל על רכיבים אקטיביים כגון טרנזיסטורי RF, מיקסרים, מודולטורים ומגברים עבור רדיו של הדור הבא. חלקי רדיו אלה יכולים להיות שימושיים עבור בניית אב-טיפוס ואפילו ייצור של קישורי רדיו בעלי פונקציות מיוחדות אשר במידה רבה אינם סטנדרטיים. כאן ניתן להשתמש במודולים רב-שבביים או לוחות נשאים מסוג מערכת-על-גבי-שבב (SoC) כדי לשמר בדיוק גבוה יותר עכבות ומאפייני אנטנות. יש לציין שאם מדובר בייצור בנפחים גדולים, הפתרון הטוב ביותר כדי להקטין עלויות וגודל יכול להיות סיליקון מותאם במיוחד משולב יותר, עד אשר יצרני המעגלים המשולבים מדביקים את הפער. אפילו במקרה זה, הרכיבים בהם מדובר כאן יהיו עדיין שימושיים. כל החלקים, גיליונות הנתונים, מערכי הלימוד וערכות הפיתוח המוזכרים כאן זמינים באתר האינטרנט של DigiKey.

הבה נהיה דיסקרטיים

אם התמודדת בעבר עם פרויקטים של רדיו, אתה יודע שרכיבים בדידים ופסיביים הם חלק אינטגרלי של התכנון; החל מתאום אנטנת קצה-קדמי עד מיקסרים, מתנדים, שנאים, מודולטורים, מסננים, מתגים, דיפלקסרים בעלי טולרנסים צרים, וכן הלאה. בעוד שרבות מפונקציות אלו קיימות כחלק משולב, אין הדבר רצוי, במיוחד בזמן הפיתוח. לדוגמה, תמיד נחוצים מסננים כדי להבדיל בין אותות שמחוץ לפס התדרים ולהנחיתם לרמות נמוכות מאד תוך כדי שמירה על הספק מלא בפסים בהם יש לנו ענין. סוגי מסננים בדידים כוללים lumped LC, דיאלקטרי ו-SAW (טבלה 1).

טבלה1: מאפיינים של סוגי מסנן מונוליתיים.

בעוד שמסננים פשוטים ניתן לבנות ממספר נגדים, קבלים ומשרנים קטנים מאד, ניתן להשיג יותר דרגות וקטבים תוך שימוש במבנים מורכבים יותר.

מעגלים משולבים (IC) אינם המסננים הטובים ביותר. Q משרן אופייני שניתן ליצור תוך שימוש בטכנולוגיית תהליך CMOS הוא פחות מ-10. עם נחושת וטכניקות מטליזציה ניתן להכפיל מספר זה לסביבות 20. הבעיה היא שכדי להקטין למינימום הפסדי שילוב (insertion loss), ערכי Q חייבים להיות בתחום המאות. כעת, רק מסננים בדידים יכולים להשיג זאת.

מסננים משמשים בכל חלקי הרדיו, בתוך ומחוץ למחסום הסיליקון (איור 1). כאן דרושים מסננים חיצוניים לתאום האנטנה ובמסלולי האותות כדי לאפשר חשיפה של הנתונים הנקלטים והעברת נתוני שידור עם הנחתה מועטה או ללא הנחתה כלל. זה חשוב במיוחד כאשר משתמשים באנטנה אחת עבור שידור וקליטה, או משתמשים ביותר מפרוטוקול אחד.

איור 1: דרושים מספר רב של מסננים בתוך ומחוץ למקמ"שי RF. ביצועים טובים יותר של רכיבים בדידים חיצוניים מאפשרים למסנני IF ופס-בסיס פנימיים לחלוק מסלול משותף בין פרוטוקולים ופסים שונים.

עבור אמצעי רדיו סטנדרטיים "בשימוש כיום", כמו גם אלה של הדור הבא, בלוקים של מסננים קטנים יותר ומשולבים יותר כמו מסננים מעבירי-פס (band-pass) שבב יחיד 2450BP07A0100T של Johanson הם ממוטבים ביותר, במקרה זה עבור פס ה-Wi-Fi 2.4 GHz.

שים לב שניתן להשיג תאום רכיבים טוב יותר עם מכללים מונוליתיים אלה. זה מפני שהרבה יותר קשה לתאם מאפייני רכיבים עם חלקים המיוצרים בריצות ייצור שונות. כתוצאה מכך, חלקים משולבים אלה יכולים להציג טולרנסים גבוהים יותר מהניתן להשיג בקלות תוך שימוש ברכיבים בדידים.

במקרה זה, גורמי הצורה 0402 מספקים את רוחב הפס של ‎100 MHz עם תדר מרכזי צר של ‎2.45 GHz עם שטח קטן מאד של 0.5 x ‏1 מ"מ וגובה 0.43 מ"מ. גורם נחמד נוסף עם חלקים משולבים הוא שהאוריינטציה של רכיבים יכולה לעתים קרובות להפיק תועלת מגיבובי ‎3-D כדי להפחית רעש והפרעות בין דרגות.

Johanson מציעה מודול הדרכת מוצר המתאר כיצד מסנני שבב יחיד משולבים יכולים להפיק ביצועים טובים יותר, אמינות ועקביות במשך תהליך הייצור. שים לב שניתן לשלב חלק מהחלקים האלה גם כדי לשפר ביצועים. לדוגמה, הוספת מסנן מעביר נמוכים TDK DEA102500LT-6307A1 יכול לסייע בחסימת תדרי פס-כפול גבוהים יותר כמו ה-5‎ GHz המשמש ברשתות אלחוט LAN בתדר גבוה יותר. שרשור אלמנטים של סינון הוא כמו הוספת קטבים נוספים למסנן ויכול לשפר ביצועים. עם זאת, תהיה גם הנחתה של האות על כן יהיה כנראה צורך במגבר קצה-קדמי רגיש יותר, במיוחד עבור עבודה מרובת פסים.

מאותה נקודת אנטנה בה מחובר מסנן מעביר נמוכים ומעביר פס 2.4‎ GHz ניתן גם להסתעף למסנן מעביר פס בתדר גבוה יותר עבור 5‎ GHz, כמו ה-TDK DEA105425BT-1293A1. ערכת הדגמה/פיתוח של TDK, ה-445-7845‎-KIT, מאפשרת עריכת ניסויים של 900‎ MHz ו-‎2.4 GHz וכוללת מספר דיפלקסרים התפורים עבור פרוטוקולים משותפים.

לשחק בתוך פס התדרים

לא רק פרוטוקול יחיד עובד בפס תדרים מסוים. לדוגמה, בפס התדרים ‎2.4 GHz ISM יתכן שיתקיימו ביחד Wi-Fi,‏ Bluetooth,‏ ZigBee,‏ W6LowPan,‏ +ANT,‏ GSM,‏ DECT ומספר פרוטוקולים נוספים. תוך החזקת אנרגיה בספקטרום, פרוטוקולים אלה יכולים להשתמש בטכניקות מודולציה שונות ובאלגוריתמים שונים של דילוג תדרים (frequency-hopping). כתוצאה מכך, תרצה לבחור במסננים המאפשרים את מאפייני הפס המשתנים כגון שינויי רוחב וקצבי נתונים.

קח למשל את המסנן הקרמי רב-השכבות Taiyo Yuden FI105L250014-T, אשר מתוכנן לשרת W-Lan ו-Bluetooth. באופן דומה, מסנן Johanson 1810BP07B200T מיועד עבור יישומים סלולריים GSM ו-CDMA. כאשר מסלול שידור חייב לשרת מספר פסים ופרוטוקולים ביחד, מסנני אות-משותף מבוססי משרן יכולים להיות שימושיים כדי לנתב רק אותות רצויים למסננים ודה-מודולטורים. הם נעשים קטנים יותר גם. קח למשל את הרכיבים הפסיביים המשולבים של Johanson Technology או את הסדרות ACMF-03 ו-ACMF-04 של מסנני שכבה דקה מבית Abracon המתאימים עד ‎6 GHz. אינטגרציה מספקת תחומי טמפרטורות טובים מאד (55º- עד 150ºC+) עם עכבות של ‎35 Ω עבור ה-ACMF-03-350-T של Abracon, ‏‎65 Ω עבור ה-ACMF-03-650-T ו-‎90 Ω עבור ה-ACMF-04-900-T של הספק. שים לב שחלקים מיצרני שבב שונים יכולים להיות ממוטבים עבור מסלולי שידור שאינם ‎50 Ω. שים לב גם למאפייני החלקים שהם מציינים בתכני הייחוס שלהם.

פונקציות מסויימות כמו GPS יכולות לא לרצות לשתף אנטנות ומסלולים עם פסים אחרים. אלקטרויקת קצה-קדמי מסוימת מאד יכולה להוות שינוי משמעותי כאשר נועלת על אותות לוויין חלשים. זה מאפשר לאנטנות מסוימות ומיקום מסוים של אנטנות לגרום לקליטה טובה ביותר. מעגלים מוקטני גורם-צורה ייחודיים עבור GPS גם כן הופכים למשופרים יותר. הסתכל, למשל, על מסנני ה-RF SAW המיוחדים עבור מקלטי GPS מבית Murata Electronics

מתאמי Balun

מתאמי Balun, אשר דומים למסננים אך משרתים לחיבור משדרים מוליכים למחצה לאנטנות PCB ו-SMT, בעצם הופכים קוי תמסורת קצה-יחיד לדוחפים הפרשיים עבור האנטנה. חיבורים הפרשיים חשובים ביותר עבור הקטנת רעש אות-משותף למינימום ויכולים לשפר משמעותית את איכות האותות.

מתאמי Balun יכולים לשלב חצי תריסר רכיבים בדידים בחלק יחיד קטן להרכבה משטחית (איור 2), והם זמינים עבור תדרים סטנדרטיים כמו גם לשימוש כללי. הם מתואמי עכבה, בעלי מאפיינים של קו תמסורת ויכולים לדרוש משטחי הארקה (groundplanes) וחומרי PCB מסוימים מאד.

איור 2: מתאמי Balun מונוליתיים משלבים מספר רכיבים קריטיים ובהשוואה לפתרונות בדידים, מתאפיינים בתאום מאוזן יותר של רכיבים.

מאחר ו-Balun מחבר מסלול שידור ישירות לאנטנה, הוא חייב להיות מסוגל לטפל ברמות ההספק הקשורות לאנרגיה המקסימלית המותרת באותו הפס. אופיינית, Balun יהיה מסוגל לטפל בהספק של מספר וואטים.

קח לדוגמה את ה-Balun עבור Wi-Fi ו-Bluetooth ‏2450BL15B100E מסדרת 2450 של Johanson. הוא חולק את אותם תדרי גל-נושא אך עובד בקלות בשתי טכניקות המודולציה, עבור Wi-Fi ו-Bluetooth, ויכול לטפל בהספקים עד 3‎ W עם עכבות של -50 או ‎100-Ω.

עבור קישורי נתונים הדורשים עבודה בדופלקס-מלא, הדופלקסרים והדיפלקסרים המודרניים יכולים לאפשר לחלק אחד של ה-RF לשדר כאשר החלק הקולט בוחר בו-זמנית באות שונה מאותה האנטנה (איור 3). רכיבים כמו ה-Avago ACMD-7402-BLK מתאימים בתוך מארז קטן SMT CSP של 3 פינים או אפילו מארז 0402 כמו ה-TDK TFSD10055950-5102A2 שכבה דקה או הדיפלקסר TDK DPX165850DT-8017A1 עבור LAN אלחוטי 2.4 ו-‎5 GHz כגון 802.11n.

איור 3: מסנני פס גבוה, נמוך ומעבירי פס בעלי הנחתה טובה בתוך דופלקסרים ודיפלקסרים מונוליתיים מבצעים עבודה טובה למדי בהעברת התדרים בהם מעונינים בלבד תוך הנחתת שאר התדרים.

משחקי לוח

תוך שימוש בפסי תדרים מודרניים בעלי אורכי גל קטנים, אנטנת ה-PCB הוכיחה את יעילותה כאנטנת שידור/קליטה זולה ואמינה למדי. למרות היותה יעילה, רבים מתכנים אלה דורשים משטחי הארקה ואזורים חופשיים מיוחדים מאד.

כתוצאה מכך, אנטנטות חיצוניות נכנסו לשימוש ומספקות גמישות נוספת במיקום האנטנה. זה יכול לשפר ביצועים על ידי איפשור יתר הרחקה של נקודות קליטה/שידור מקווים דיגיטליים רועשים, ואפילו מאפשר למיקרו-בקרים משובצים לבחור באנטנות שונות בהתבסס על מידע RSSI בזמן-אמת.

מספר אנטנות להרכבה משטחית, מונוליתיות ובעלות ביצועים טובים זמינות מן המוכן בעלות נמוכה ומאפשרות גמישות כזו, כולל ה-TDK ANT016008LCD2442MA1 (איור 4), שהיא אנטנה קרמית רב-שכבתית פס-תדרים-כפול (2.4 ו-‎5 GHz) בנצילות גבוהה הארוזה במארז הרכבה-משטחית מסוג 0603. גובהה היא 0.4 מ"מ בלבד, דבר העושה אותה למתאימה עבור מירב תכני ISM.

איור 4: אנטנות קרמיות רב-שכבתיות הן כל כך קטנות וקומפקטיות שלעתים קרובות הן תופסות פחות מקום מרכיב פסיבי בדיד יחיד.

אופציית אנטנה מעניינת אחרת היא היחידה להרכבה בפינה אשר יכולה להרחיק את האנטנה מהפרעות שפתרונות מורכבים באמצע או באחת השפות אינם יכולים.

לדוגמה, ה-Antenova A10464 היא בעלת גובה של פחות מ-0.5 מ"מ וניתן להרכיבה בפינה תוך שימוש במשטח הארקה קטן על ה-PCB שלך עבור יישומי GSM (איור: 5). במיוחד בטלפונים, הראש יכול להוות מקור להפרעות. אנטנות הרכבה בפינה מאפשרות מסלול פנוי יותר וסיכוי גדול יותר לקו-ראייה עם מגדלים ולוויינים.

איור 5: אנטנות להרכבה בפינה יכולות לספק מאפייני קו-ראייה טובים יותר ביישומים נישאים ביד כמו טלפונים, בהם הקרבה לראש יכולה לגרום להנחתת אותות.

לסיכום

אמצעי רדיו סטנדרטיים המשמשים במספרים גדולים עדיין מתכווצים ומאפשרים אינטגרציה גבוהה יותר עם קישורי אלחוט וחוט אחרים. בעוד שהתקנים משולבים ברמה גבוהה מטפלים טוב למדי בחלקים האקטיביים של התכן עבור פרוטוקולים קיימים ונתמכים, רכיבים בדידים ופסיביים חיצוניים לעתים עושים עבודה טובה יותר מפתרונות על-שבב במיטוב ביצועים ועלות. חלק 2 של סדרה זו ידון ברכיבי רדיו אקטיביים בצורות בדידים ופיסות שבב.

לפרטים נוספים, השתמש בקישורים לדפי המידע של המוצרים שבאתר האינטרנט של DigiKey.