高效控制多模手機中的天線接收

　　過去幾年來，手機中的射頻信號通道越來越擁擠。移動電話已經(jīng)從雙頻向三頻甚至四頻快速發(fā)展。另外，這些多模手機還需要處理來自周邊無線設備的各種信號，如藍牙、WiFi和GPS。隨著WiMAX和LTE(4G)的加入，這種復雜度將越來越高。在移動手機中，天線開關控制著天線，以接取所有這些無線信號，扮演著網(wǎng)路守門員的角色。

　　多頻手機設計面臨著很大挑戰(zhàn)，因為所有這些信號工作在不同的頻寬，而且它們都需要接取天線。為了取得最佳性能和外形尺寸，它們最好能透過單一射頻開關接取天線。對開關制造商來說，這意味著從單刀四擲(SP4T)相應發(fā)展到SP7T甚至SP9T的配置，才能處理越來越多的信號。這種先進的開關需要能夠處理由寬頻CDMA(WCDMA)和低功率I/O無線設備帶來的額外移動通訊頻段接取。

　　可預期的是，手機復雜性會越來越高，要求能夠處理更多頻段的信號。最可能的情況是，市場將至少標準化七個頻段，并且要留出一個空間給第八個頻段(LTE)使用。即使今后產(chǎn)生合并，射頻電路中由于合并留出的空間也會很快被越來越流行的、也需要接取天線的周邊無線電所占據(jù)。

　　管理信號流量

　　為了支援網(wǎng)際網(wǎng)路、多媒體和視訊應用，3G移動手機市場已經(jīng)轉向WCDMA。相應的GSM也演變成GSM/WCDMA雙模技術。為了滿足全球需求，目前的GSM手機最多有4個發(fā)送(Tx)和4個接收(Rx)通道。增加WCDMA后每個新的頻段都要增加另外一個Tx/Rx通道。目前的移動手機設計傾向于采用4xGSM(850、900、1800、1900MHz)和3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此，手機復雜度已經(jīng)達到空前的水準。

　　射頻前端設計師主要負責天線開關模組(ASM)、前端模組(FEM)和發(fā)送模組；其中ASM通常包括開關、解碼器、功率放大器(PA)低通濾波器、ESD電路和電壓產(chǎn)生器。對射頻設計師而言，多頻應用意味著艱巨的架構、性能和成本挑戰(zhàn)。多頻手機中的任何設計折衷都要求手機滿足或超過所有標準提到的性能等級。

　　多模多頻的移動手機通常使用單一功率放大器模組處理四頻GSM/EDGE信號。另一方面，每個WCDMA頻段都需使用自己的獨立功率放大器。因此，具有一個WCDMA頻段的四頻GSM手機至少需要一個單刀六擲(SP6T)開關來管理所有的信號通道。當然，設計師也可以使用一個雙工器和兩個SP3T(流行的GaAs配置)，但與使用單一SP6T開關相較，這種方法將產(chǎn)生較高的插入損耗。

　　射頻設計師必須關注插入損耗，因為它直接影響功率放大器的功率附加效率(PAE)。GSM功率放大器的最大飽和功率通常是3W，平均PAE是55%。必須達到這個效率水準才能確保較長的電池使用時間，因為手機總電流的一半是用在功率放大器上。有鑒于此，設計師必須將保持功率放大器的PAE放在最高優(yōu)先等級。

　　一些最早的多頻WCDMA/GSM手機采用獨立的WCDMA和GSM信號鏈，并采用獨立的天線和無線設計。雖然這種方案在原型和第一代設計中非常有效，但市場壓力要求更高性價比并且節(jié)省空間的方法。顯然，業(yè)界要求整合式ASM能夠處理7個甚至9個信號。

　　針對這個需求，業(yè)界開發(fā)出了SP7T開關來支援具有1個WCDMA和4個GSM頻段的手機架構。如PE42672就是采用UltraCMOS制程技術開發(fā)的單片式SP7T，它能提供+68dBm的三階交調截取點(IP3)，這個線性度性能值可以滿足3GPPIMD3規(guī)格相容的手機設計和高效的射頻前端要求。IP3與設備的第三階交調失真(IMD3)性能關聯(lián)，這些相位上的指標如圖1所示。

　　圖1：IP3與元件的第三階交調失真(IMD3)性能有關。

　　該圖顯示了UltraCMOSSP7T(PE42672)和SP9T(PE42693)的這些相位上指標。

　　SP6T開關是開關架構方面最新的成果之一。經(jīng)過配置它可以處理多個頻段的WCDMA、GSM和周邊無線設備。如圖2所示的開關可以處理三頻段的WCDMA，并提供到雙工器和3個功率放大器模組的通道(每個WCDMA頻段要求使用自己的功率放大器和雙工器)。這個開關還能處理只有單一功率放大器模組與之相連的四頻GSM/EDGE(包含2個功率放大器晶片)。從實際效果看，這個設備必須通過受簡單解碼器控制的單個開關傳送5個高功率訊號。

　　圖2：這個SP9T正在處理三頻段的WCDMA，它提供了到達雙工器和三個功率放大器模組的通道。

　　開關要求

　　隨著多頻段架構的普及，對功率放大器和相關濾波器的數(shù)量提出了嚴格的要求。事實上，對功率放大器的技術要求沒有變化，但手機設計需要使用更多的功率放大器。因此真正改變的，是需要一種高效率方法，將所有射頻信號傳送給天線──即單片開關。
　　手機中增加的頻段越多，對開關的技術要求就越高，而且WCDMA的線性度和諧波要求對元件性能也帶來了很大的壓力。例如，目前的開關通?？赏ㄟ^超過+65dBm的IP3。過去，在只有GSM的設計中并沒有相似的線性度要求。+65dBm不僅是新的要求，同時是開關制造商難以達到的要求。透過利用UltraCMOS制造制程的線性優(yōu)勢，圖2中的單片PE42693SP6T可以保持其前一代SP7T開關+68dBm的IP3，而且IMD3性能超過業(yè)界標準的-105dBm(圖1)。

　　SP6T功能可以用GaAs元件實現(xiàn)，但它需要額外的元件，如CMOS解碼器和驅動器，這將大幅影響所需I/O的數(shù)量。例如，圖2中的SP9T要求4條控制線。而SP9T相似的GaAs實現(xiàn)需要18條控制線，使這些線出入單個元件非常困難。對要求高度線性和隔離的5個高功率埠來說，挑戰(zhàn)尤其艱巨，因為I/O數(shù)量越多，線的耦合和黏合的可能性就越大。例如，PCS1900發(fā)送頻段與DCS1800接收頻段發(fā)生重疊。沒有好的隔離(35dB以上)，無用的帶內信號就會通過濾波器而降低接收機的靈敏度。

　　持續(xù)微縮

　　隨著多頻段手機越來越流行，對高整合度、小型天線開關的需求也越來越迫切。UltraCMOSSP7T開關現(xiàn)在已經(jīng)開始量產(chǎn)，SP9T也在2007年底投入量產(chǎn)。在外形方面，GaAsSP7T為1.6x1.5mm，而采用0.5umSOS制程、具有相等或較小和較大信號性能的相似SP7T開關設計只有1.2x1.0mm，面積縮小了一半。目前已經(jīng)可用的GaAsE/DpHemt或J-pHemtSP9T開關外形尺寸為1.9x1.5mm。與之相較，采用UltraCMOS0.5um制程制造的SP9T外形尺寸為1.7x1.1mm(圖3)，它不需要外部ESD元件和性能增強匹配元件。依照UltraCMOS發(fā)展規(guī)劃，0.25um版本的SP9T尺寸將達到1.32x1.29mm。

　　圖3：這個UltraCMOSSP9T尺寸為1.7x1.1mm，不需要外部ESD元件或線性度增強匹配元件。黃框代表的是解碼器，藍框是ESD，綠框是電壓產(chǎn)生器。

　　縮小尺寸的另外一種方式是將開關覆晶安裝在結實的低溫共燒陶瓷(LTCC)基板上，無需占用傳統(tǒng)打線接合所需的面積。目前晶圓級晶片尺寸封裝正在開發(fā)中，它所生產(chǎn)的UltraCMOS開關可依照標準表面黏著進行處理。

　　在使用UltraCMOS制造的開關后，設計師可以取消其他開關技術需使用的解碼器、隔直電容和雙工器。配合晶片尺寸封裝技術，這種制程可顯著減少ASM的尺寸和厚度。另外，其固有的ESD容差和單片CMOS介面可簡化設計周程。最后，UltraCMOS制程的高良率和增加開關方向的靈活性，可使新一代手機具有更高的整合度，能夠解決多頻段行動手機體積縮小所帶來的持續(xù)挑戰(zhàn)。

　　對射頻元件的影響

　　多模多頻段GSM/WCDMA手機的技術要求已經(jīng)超過了傳統(tǒng)RFIC技術(如GaAs)極限。受這些超高性能要求影響最嚴重的是天線和射頻開關。

　　雖然本文主要討論的是天線開關，但仍需了解其對系統(tǒng)天線的顯著影響。天線必須高效的幅射從800到2200MHz的信號，在微型天線允許的外形尺寸下這是一個相當艱巨的任務。目前業(yè)界正尋找新的技術來解決這個問題，考慮到天線匹配問題，可能使用開關和集總調諧單元。總之，射頻開關必須能夠切換最多9條大功率射頻信號通道，且要具有低插損、高隔離和線性度。

　　新型制造制程的發(fā)展和高整合度設計，正使得在最新、最復雜和最小的可攜式設備中實現(xiàn)必要的多頻段性能成為可能。