利用2.4GHz WLAN前端模塊實現多無線技術共存

無線局域網 (WLAN) 技術現已成為了家用和工業(yè)用電器中移動計算及數據通信的必然標準。近來，這種技術更被用于無線互聯網語音 (VoIP) 電話、多媒體分發(fā) (multi-media distribution)、游戲以及監(jiān)視系統(tǒng)等領域。將WLAN集成到手機里的需求正不斷高漲，但手機同時還必須兼?zhèn)溆螒颉DA、數字相機、用于電郵和網絡瀏覽的通用分組無線服務 (general packet radio services, GPRS)、全球定位系統(tǒng) (global positioning system, GPS) 以及藍牙 (Bluetooth) 應用等眾多功能。表1列出了目前被集成到手持式設備中的各種無線服務和其工作頻帶。

未來的高端手機還得加入 5GHz 的UMTS 蜂窩無線技術，以實現語音和數據通信。最近冒起的無線 VoIP 服務為手機用戶提供了另一種低成本的電話服務，在這種情況下，在具有 UMTS蜂窩能力的智能電話中集成 2.4GHz 的 WLAN功能看來是必然的趨勢了。UMTS 接收帶和 2.4GHz WLAN帶之間的頻帶問題，為專為同步操作而開發(fā)的無線前端設計帶來了艱巨的挑戰(zhàn)。

架構

圖1顯示了適合嵌入于多無線技術蜂窩手機中之 WLAN無線技術的最優(yōu)化架構。這種架構采用了單根天線的單刀雙擲 (SPDT) T/R開關設計，簡化了雙天線分集開關 (diversity switch) 的結構，后者在手機中往往缺乏足夠的距離來獲得空間分集 (spatial diversity)；而且天線的隔離度很低，無法滿足多天線應用的需要。這個最優(yōu)化架構的發(fā)射路徑包括一個輸入匹配濾波器、一個與片上調節(jié)器和功率檢測器集成在一起的3階SiGe功率放大器、一個集中式帶通匹配濾波器、一個SPDT T/R開關，以及一個高抑制帶通濾波器 (BPF)。其接收路徑則包括相同的 BPF、一個T/R開關、一個帶通匹配濾波器，以及一個平衡／不平衡變換器 (balun)。在某些應用中更需要一個低噪聲放大器 (LNA)，以確保接收路徑的插損 (insertion loss)足夠低，從而優(yōu)化接收器的靈敏度，并提高 WLAN無線技術的總體覆蓋范圍。

圖1：高抑制2.4GHz WLAN前端模塊架構用于多標準與 UMTS 共存的手機

功率放大器

功率放大器 (power amplifier, PA) 的性能是滿足前端模塊規(guī)范的最關鍵因素。采用 SiGe BiCMOS 技術可以達到最高程度的 IC 集成，以實現所有有源功能，包括 RF 信號放大、功率檢測、電源調節(jié)，以及真正的 CMOS 兼容開/關啟動電路 (以滿足快速設置 WLAN應用的嚴格信號時序要求)。此外，使用 BiCMOS 偏置電路還能夠實現基于帶隙的參考電壓以及完全溫度補償的 PA 性能。要在很大的操作功率范圍上滿足 WLAN嚴格的線性度要求，并同時獲得最高的效率，這兩點對手機而言是至關重要的。一般來說，由于大多數 WLANPA在高峰均比 (peak-to-average ratio, PAR) 數字調制時，需要8 到 6 dB的功率回退 (back-off) 來實現低失真，因此它們的效率往往很低。而且，由高抑制 BPF和T/R 開關引起的后置功率放大器損耗也產生了額外的2.5 到3.5dB 損耗。因此，在最壞的情況下，線性電源需要額外的3.5dB功率回退來滿足高達 2.17GHz 的抑制要求。這種 PA 輸入輸出匹配網絡可以實現低噪聲 50 歐姆匹配，故很容易能集成到無線前端模塊中，并在PA輸入端提供帶通濾波，進一步提升噪聲抑制的性能。

SPDT開關濾波器

這個 T/R 開關濾波器設計包含了一種新穎的開關架構，即使在天線嚴重失配的情況下也能提高隔離性能，同時實現緊湊的外形尺寸，把模塊的總體尺寸減至最小。該開關加入了并聯和串聯 FET 器件，用于每一條路徑上的開 (ON) 和關 (OFF) 狀態(tài)。要提高隔離度，可以通過關狀態(tài)串聯FET；或通過此開關閑置路徑上的 AC 接地并聯 FET 來實現。利用這種開關設計，在 802.11b/g 頻帶上可以獲得大于30dB 的 TX-RX 隔離度，而插損小于 0.7dB。在機械方面，這種開關可與高抑制帶通濾波器集成在一起，后者專門提供UMTS 兼容手機操作所需之帶外阻塞 (out of band blocking)。在我們的評估中，若接收路徑的全相位抗失配能力為10:1，那么在54Mbps 及最大輸出功率為15 dBm時，誤差向量幅度 (EVM) 性能的下降可忽略不計。因此，閑置路徑可以完全關斷而不會影響到活動路徑的性能。這種功能正是手持式設備所需的，因為它降低了電流消耗，有助節(jié)省電池能源。在同樣的天線端失配情況下，隔離度仍大于 27dB，因此不但免受線性TX性能變化的影響，而且還可以通過片上監(jiān)測器準確地進行電源設置；此外，即使在天線嚴重失配的情況下也不會對功率放大器造成損害。

圖2：天線路徑TX輸入的小信號增益、匹配及反向隔離性能

Balun 變換器

利用印制跡線和0201無源器件，可以實現集成了低通濾波器的2:1平衡／不平衡變換器 (balun)。該 balun 變換器為開關濾波器和接收輸出分別提供50 歐姆和 100 歐姆的匹配。使用無源器件和印制跡線能顯著提高成本和性能。利用這種電路，前端模塊可獲得 0.2dB 的幅度平衡度，平衡端之間的相位差小于 1 度。

性能

這個前端模塊的性能如圖2、3 及 4所示。由圖2可見，總體增益為28dB，輸入輸出回損大于10dB。對緊密屏蔽式手機的穩(wěn)定性非常關鍵的反向隔離在諧波頻帶范圍內優(yōu)于 -49dB。圖3顯示了在17dBm 的輸出功率級下測得的噪聲排放 。在 2.17Ghz 時，UMTS 接收頻帶和 WLAN通帶相當靠近，此時的噪聲功率大約為 -170dBm/Hz?？紤]到天線或系統(tǒng)板耦合所引起的 15dB 泄漏路徑損耗，這將使前端模塊的噪聲影響低于熱噪聲基底，并與手機 UMTS 接收器的同步操作兼容。即使利用1Mbps調制，在最大功率 +17dBm下的最差 WLAN諧波，距離美國聯邦通信委員會 (FCC) 規(guī)定的 0dBi 天線 -41.2dBm/Mhz 的限值還有 5dB 的裕量。

圖3：輸出功率為17dBm時，前端模塊的噪聲排放測量值

圖4所示為在17 dB電源范圍時，采用 54Mbps 802.11g 信號調制所測得的模塊線性關系。該線性度是在 15dBm功率級下小于3%的EVM，電流消耗為120mA。該性能包括了高抑制開關濾波器電路的 2.5 至 3.5dB后置功率放大器損耗。

在接收模式中，2GHz 以下測得的抑制大于 45dB；2.17GHz 以下大于30dB。帶內 (in-band) 插損為3.5dB (進入一個平衡接收器)；而回損則優(yōu)于-16.5dB。在多無線技術同時操作期間，這些低帶內損耗和高抑制性能完全保證了WLAN接收器的靈敏度。

圖4：采用 54Mbps 802.11g 調制和 3.3V 電源時，測得的 EVM 和電流相對于前端模塊輸出功率的關系

總結

SiGe半導體公司開發(fā)了一種具有高線性度、低功耗、低帶外噪聲排放和高帶外噪聲抑制的2.4GHz WLAN前端模塊，能夠支持手機中多無線技術的共存。這些無線方式在高達 2.17GHz 的 UMTS 頻帶上操作。SiGe 半導體的模塊集成了功率檢測器和調節(jié)器，大大簡化 WLAN無線技術的結構。緊湊的開關式濾波器設計，把模塊的總體尺寸減至最小，從而使占位面積縮小到只有6 X 5 X 1.4mm。上述這些特性使集成收發(fā)器或基帶／收發(fā)器芯片變得非常容易，為含 UMTS 頻帶的第三代多無線技術蜂窩手機建構了一個雙或單封裝的 2.4GHz WLAN無線結構。

表1：多無線技術手機中常見嵌入式無線應用的頻帶