如何优化高性能射频信号链中的 SWaP

从智能手机到笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备、无人机、接入点以及智能家居和物联网 (IoT) 设备等，越来越多的应用对高性能无线连接的需求在不断地增长。对于这些设备的设计者来说，关键的差异点是最终用户的体验，这在很大程度上是由无线信号的质量、吞吐量、可靠性以及电池寿命决定的。设备的尺寸和重量也是重要的差异化因素，可穿戴设备尤其如此。对于设计者来说，优化这些参数需要密切关注射频信号链的所有方面，这对专业人士和射频新手来说都是一个艰巨的挑战。

本文将回顾组成射频信号链的各个部分，并介绍天线调谐器、射频交叉开关、天线分集开关、低噪声放大器 (LNA) 和低噪声射频晶体管如何在高性能解决方案中发挥作用，同时还将探讨控制接口选项。然后，以 Infineon 的器件为例，说明这些器件在满足日益苛刻的尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求的同时，是如何支持高性能射频设计的。本文最后将比较两种紧凑的小型无铅封装 (TSNP) 射频解决方案的选项。

天线的基本要素

天线性能在当今的连接设备中至关重要。通过调谐可以使单个天线在多个频段上实现良好的性能，并有助于形成更紧凑、更高效的解决方案。设计者可以在射频信号链的天线调谐器部分使用开关，从而最大限度地将功率传输到天线，并根据具体的应用需求优化性能（图 1）。

图 1：在调谐器部分使用天线调谐开关来优化天线性能。（图片来源：Infineon）

射频交叉开关

在许多应用中，天线调谐是确保最佳性能的必要条件，但非充分条件。在这些情况下，可能需要不止一根天线。可以在信号链中加入射频交叉开关，以便能够通过提高发射功率或接收机灵敏度来选择在特定情况下性能最佳的天线（图 2）。射频交叉开关需要提供高效、快速的开关操作，以支持有用的天线互换；这些开关需要具有高隔离度、低插入损耗并能产生低谐波，以支持高效、可靠的系统操作。

图 2：使用射频交叉开关可以为上行链路或下行链路选择性能最佳的天线。（图片来源：Infineon）

分集开关和 LNA

有时，切换到最好的天线仍不足以支持所需的带宽。当这种情况发生时，可以在射频信号链中增加一条被称为分集路径的额外通道。天线分集改善了信号的传输和接收的质量、可靠性。分集开关的应用很广，涵盖从 Wi-Fi 网络设备到智能手机、平板电脑等多个领域。这类开关可以对信号接收中的多径干扰进行补偿。接收器监视传入的信号，并根据信号的相对强度在天线之间切换。与射频交叉开关一样，分集开关需要具有高隔离度、低插入损耗并能产生低谐波。

LNA 是射频信号链的另一关键零件（图 3）。与各种天线管理方法一样，使用 LNA 可以改善接收质量并提高数据速率。LNA 具有固定增益，也具有可用于性能微调的多个增益步长。基于单片微波集成电路 (MMIC) 技术的低噪声放大器传统上都是使用砷化镓 (GaAs) 技术生产的。最近开发的硅锗 (SiGe) LNA MMIC 能够以较低的成本支持所需的频率。LNA 是高度紧凑型器件，能够很容易地集成到非常小的封装中。此外，LNA MMIC 可提供集成静电放电 (ESD) 保护，且这种器件的功耗极低，使其非常适合于需要重点考虑 SWaP 的移动设备和可穿戴设备。

图 3：使用分集开关和低噪声放大器有助于改善接收质量并提高数据速率。（图片来源：Infineon）

控制接口

天线调谐开关、交叉开关、分集开关与系统控制器之间一般需要有一个接口。在简单的实施中，通常使用通用输入/输出 (GPIO) 接口。GPIO 是集成电路上的一种可由非承诺性软件控制的信号引脚，可以根据需要设定为输入或输出，或两者兼而有之。

对于更复杂的控制需求，一般采用移动工业处理器接口 (MIPI) 标准。MIPI 射频前端 (RFFE) 控制接口已经过优化，用于高性能射频信号链，以提供快速、半自动化和广泛的控制功能。MIPI RFFE 的每条总线上可包括多达 19 个设备（多达 4 个主设备和 15 个从设备）。该器件设计用于 LNA、天线调谐器、开关、功率放大器和滤波器。MIPI RFFE 可以促进射频信号链的设计、配置和集成，并支持使用来自不同供应商的器件。

可由 MIPI 控制的 LNA

设计者可使用 Infineon 的 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 实现高性能射频信号链。MIPI 接口可以控制 8 种增益模式和 11 种偏置模式，从而通过主动适应射频环境的变化条件来增大系统的动态范围（图 4）。该器件设计用于 1.4 - 2.7 GHz 的 3GPP 频段（主要用于 B1、B3、n41 和 B21 频段）。该器件的噪声系数为 0.6 dB，增益高达 20.2dB 且电流为 5.8 mA。该器件的工作电压为 1.1 - 2.0 V，符合 JEDEC47/20/22 工业应用标准。

图 4：该 LNA 上的 MIPI 接口可以控制 8 种增益工作模式和 11 种偏置模式，方便进行性能优化。（图片来源：Infineon）

该器件有多个特点，有助于满足具有挑战性的 SWaP 要求，具体包括：

• 尺寸：九针 TSNP-9 的尺寸为 1.1 × 1.1 mm，0.375 mm 高度使其非常适用于空间受限的应用。
• 重量：采用经过优化的 TSNP-9，可满足重量要求。
• 电源：BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 的旁路电流只有 2 µA，因此能够延长电池运行时间。

天线分集开关

Infineon 的 BGS12WN6E6327XTSA1 宽带单刀双掷 (SPDT) 分集开关的典型开关速度为 160 ns，具有集成控制逻辑（解码器）和 ESD 保护功能（图 5）。设计用于 Wi-Fi、蓝牙和超宽带射频信号链，两个端口中的任何一个都可以连接分集天线，并具有高达 26 dB 的处理能力，参考值 1 毫瓦 (dBm)。该开关采用 MOS 技术制造，具有砷化镓器件的性能，但不需要在射频端口安装外部直流阻断电容器，除非预期会施加外部直流电压。

该芯片包括由单一 CMOS 或 TTL 兼容控制信号驱动的 CMOS 逻辑。该器件的特点是端口对端口的隔离度高，插入损耗低，最高可达 9 GHz。为了减小尺寸和重量，该器件采用 PG-TSNP-6-10 封装，尺寸为 0.7 × 1.1 mm，最大高度为 0.375 mm。该芯片的工作电压高达 4.2 V，典型电源电流为 36 µA，控制电流为 2 nA，能最大限度地延长电池供型电设备的运行时间。

图 5：BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT 分集开关可以在 160ns 内完成切换，且具有集成控制逻辑和 ESD 保护功能。（图片来源：Infineon）

射频交叉开关

Infineon 的 BGSX22G6U10E6327XTSA1 射频 CMOS 交叉开关是专门为 GSM、WCDMA、LTE 和 5G 应用设计的。这种双刀双掷 (DPDT) 开关在高达 7.125 GHz 的频率下具有低插入损耗、低谐波生成，且射频端口之间具有高隔离度。该器件的开关时间为 1.3 µs，能够支持 5G 探测参考信号 (SRS) 应用。该器件有一个 GPIO 控制接口，工作电源电压为 1.6 - 3.6 V。PG-ULGA-10 封装的尺寸为 1.1×1.5 mm，厚度为 0.60 mm，并针对空间和重量受限型应用进行了优化。这种低功耗器件的典型电源电流为 25 µA，控制电流为 2 nA。

天线调谐开关

对于需要单刀四掷 (SP4T) 天线调谐开关的设计，可以使用 Infineon 的 BGSA14M2N10E6327XTSA1，该开关针对高达 7.125GHz 的应用进行了优化。四个 0.85 Ω 导通电阻端口设计用于高 Q 值调谐应用。MIPI RFEE 数字控制接口简化了射频信号链的实施。该器件的峰值电压能力为 45 V，关断状态下的电容为 160 fF，使其非常适合用于切换射频天线匹配电路中的电感器和电容器，而没有明显的损耗（图 6）。1.3 × 0.95 mm、0.375 mm 高的 TSNP-10-9 封装与 22 µA 的电流消耗相结合，使该器件能够用于具有挑战性的 SWaP 应用。

图 6：BGSA14M2N10E6327XTSA1 可以高效地开关射频天线匹配电路中的电感和电容（图片来源：Infineon）

射频晶体管

高性能射频信号链都始于收发器和射频放大器部分。这需要像 Infineon 的 BFP760H6327XTSA1 宽频 NPN 射频异质结双极晶体管 (HBT) 这样的射频功率晶体管，其特点是：

• 在 5.5 GHz、3 V、10 mA 条件下，最低噪声系数 (NF_min) 为 0.95 dB。
• 在 5.5 GHz、3 V、30 mA 条件下，最大功率增益 (G_ms) 为 16.5 dB。
• 高线性度，且在 5.5GHz、3 V、30mA 条件下输出的三阶截点 (OIP₃) 为 27 dBm

这种功率晶体管满足工业应用要求。该器件用于无线和卫星通信系统、GPS 导航设备、移动多媒体设备和其他高性能射频应用。

TSNP 封装选项

鉴于 TSNP 封装尺寸小，因此需要在 PC 板上有稳定的几何容差，应采用非阻焊层限定 (NSMD) 焊盘设计。相比阻焊剂，NSMD 的焊盘容差较低。对于 NSMD，PC 板上的印制线应为 100 µm 或更小。通常，如上述 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA、BGS12WN6E6327XTSA1 天线分集开关和 BGSA14M2N10E6327XTSA1 天线调谐开关所使用的、用于纯底层 TSNP 的 PC 板焊盘是通过转移封装焊盘轮廓并在沿着焊盘侧面增加 25 µm 来设计的。

设计者需要明白，TSNP 焊盘款式不止一种。有标准焊盘，也有为光学引线端检查 (LTI) 设计的焊盘（图 7）。LTI 设备需要更大的安装区域，因为 PC 板垫需要超出封装轮廓至少 400 μm（图 7）。虽然 LTI 设计支持光学检测，但它可能不适合需要尽可能小的解决方案尺寸的 SWaP 关键设计。

图 7：TSNP 封装可使用标准焊盘（左），或针对光学 LTI 进行了优化的较大焊盘（右）。（图片来源：Infineon）

结语

在一系列便携式和可穿戴式无线设备中指定天线调谐器、射频交叉开关、天线分集开关、LNA 和低噪声射频晶体管时，SWaP 是重要的考虑因素。如图所示，Infineon 为设计者提供了一系列用于高性能射频信号链应用的器件，这些器件还可满足苛刻的 SWaP 要求。利用这些器件，设计者可以优化射频信号链的可靠性、带宽并延长电池寿命。

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