用RF CMOS器件解决多模多频带手机的RF设计|插入损耗|线性度和隔离度

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  <p>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 如今手机的RF信号链路已经变得极其拥挤,从双频到三频以及现在的四频，手机的复杂性已经迅速攀升。此外，这些手机还需要处理蓝牙、Wi-Fi和GPS等各种外围电路的无线电信号。由于增加了WiMAX和LTE(4G)功能，这种趋势有望持续。在手机中，天线开关是控制所有无线电信号进入天线的门守器件(gatekeeper)。目前，设计工程师正在定义新的单极九掷(SP9T)开关，预计单极十掷(SP10T)开关的出现也不会很遥远。 </p><p /><p><b>RF设计挑战</b> </p><p /><p>现在正在开发的手机有的集成了三频带WCDMA和四频带EDGE平台，这要求在单个手机中至少有7个无线电的架构。支持七个频带很有可能是手机市场的标准要求，并要为第八个频带预留空间(用于LTE)。由于需要天线的外围无线电和功能越来越普及，手机设计的复杂性将不断攀升。 </p><p /><p>如今四频EDGE手机中的大功率信号链路数增加了三倍多，所有这些都大大增加了RF前端的复杂性。多频带手机必须处理具有不同带宽的众多RF链路，而它们必须全部接入同一个天线。最有效的方法是将所有信号都路由至单个RF开关。对开关制造商而言，这意味着从单极四掷(SP4T)到单极七掷(SP7T)、以及现在的SP9T配置的相应演进，以处理越来越多的信号链路。 </p><p /><p>功能的增多也将影响天线，天线必须在一个小的占位面积上有效辐射800MHz~2,200MHz的信号。天线设计工程师正在利用性能增强的匹配电路、开关和集总调谐器件来解决这些问题。但是，RF开关最终必须能切换多达九个链路或者更多链路的大功率RF信号，并保持低插入损耗、高隔离度和出色的线性度。 </p><p /><p>下一代设计切换双工器和滤波器组之间的信号，因此开关器件上的负荷非常高。根据规范，由于信号通过多个开关链路，所以新应用往往要求极低的插入损耗；由于存在WCDMA平台，所以需要极高的线性度；此外，对关键链路需要极高的隔离度，对具有多达14个控制状态的独立(而同时)的信号链路需要尺寸小、效率高的开关解决方案。 </p><p /><p>在手机中，RF设计工程师通常负责天线开关模块(ASM)、前端模块(FEM)以及传输模块的电路设计。ASM通常包含开关、解码器、功率放大器(PA)、低通滤波器、ESD保护电路和电压发生器。 </p><p /><p>多模多频带手机一般采用单个PA模块来处理所有的四频GSM/EDGE信号，但每个WCDMA信号链路都要求单独的PA。图1显示了下一代手机设计的框图，橙色区表示处理多个接收(Rx)和发射(Tx)信号链路所需的额外PA和滤波器。 </p><p /><p><table align="center"><tbody><tr><td><img alt=" " src="http://www&#46;ed-china&#46;com/ARTICLE_IMAGES/200712/20071201_MC_RFD_TS_07F1&#46;JPG" border="0" /></td></tr></tbody></table></p><p /><p>带一个WCDMA频带的四频GSM手机至少需要一个单极六掷(SP6T)开关来管理所有信号链路。设计工程师可以使用一个天线共用器和两个SP3T开关(流行的GaAs配置)，但与采用单个SP6T开关相比，这会导致更高的插入损耗。在所有这些设计中，多频带要求都意味着架构、性能和成本方面的挑战。多频带手机中的任何设计折衷仍然需要手机符合或超越所有的标准性能级别。 </p><p /><p><b>插入损耗</b> </p><p /><p>插入损耗在多频带设计中至关重要，因为它直接影响PA的有效附加功率效率(PAE)。通常，GSM的PA在饱和状态下的工作功率高达3W，平均PAE为55%。PA要消耗手机总耗用电流的一半，PA效率的降低对电池使用寿命有直接影响，因此应优先保持PA的PAE水平。 </p><p /><p>早期的多频带WCDMA/GSM手机具有单独的WCDMA和GSM信号链，它们被路由至各自的天线。虽然这对设计原型和第一代产品很有用，但是巨大的市场压力要求一种更具成本效益、更节省空间的技术。显然，实现这种设计需要处理7个或以上信号的集成ASM。 </p><p /><p>SP7T开关最初被用来支持带一个WCDMA和四个GSM频带的手机架构。后来，诸如SP9T PE42693的设计采用了UltraCMOS工艺。图2给出了这种开关针对多个收发器(TRx)、发送器(Tx)和接收器(Rx)信号频率的插入损耗。这样的性能对确保有效的RF前端设计是必需的。 </p><p /><p><table align="center"><tbody><tr><td><img alt=" " src="http://www&#46;ed-china&#46;com/ARTICLE_IMAGES/200712/20071201_MC_RFD_TS_07F2&#46;JPG" border="0" /></td></tr></tbody></table></p><p /><p>SP9T开关的架构是目前最好的开关架构之一。这种开关可以配置成处理多个WCDMA、GSM和外围无线电频带。如图1所示，SP9T开关通过连接双工器和三个PA模块处理三个WCDMA频带。它还处理四频带GSM/EDGE，这里只连接一个PA模块。这种器件必须通过由简单编码器控制的单个开关来路由五个大功率信号。</p>

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