中心论题:

多频手机对开关技术要求

射频开关的设计要求

 

解决方案:

射频开关要求具有低插损、高隔离和线性度特点

使用 UltraCMOS 制造的开关应对多频手机体积缩小的挑战

 

现在手机中的射频信号通道越来越拥挤。蜂窝电话已经从双频向三频甚至四频快速发展。这些复杂手机还需要处理来自外围无线设备的各种信号,如蓝牙、Wi-Fi 和 GPS。而随着 WiMAX 和 LTE(4G)的加入,这种复杂度将越来越高。在移动电话中,天线开关控制着天线接入所有这些无线信号,实质上起着网守的作用。

 

多频手机设计面临着很大的挑战,因为所有这些信号工作在不同的带宽,而且它们都需要接入天线。为了取得最优的性能和外形尺寸,它们最好能通过单个射频开关接入天线。对开关制造商来说,这意味着从单刀四掷(SP4T)相应发展到 SP7T 甚至 SP9T 配置才能处理越来越多的信号。这种先进的开关需要能够处理由宽带 CDMA(WCDMA)和低功率 I/O 无线设备带来的额外移动通信频段的接入。

 

可以预期的是,手机复杂性会越来越高,要求能够处理更多频段的信号。市场将至少标准化七个频段,并且要留出一个空间给第八个频段(LTE)使用。即使今后发生合并,射频电路中由于合并留出的空间也会很快被越来越流行的、也需要接入天线的外围无线电设备和功能所挤占。

 

为了支持互联网、多媒体和视频,3G 移动手机市场已经转向 WCDMA。相应的 GSM 也演变成 GSM/WCDMA 双模技术。为了满足全球需求,目前的 GSM 手机最多有 4 个发送(Tx)和 4 个接收(Rx)通道。增加 WCDMA 后每个新的频段都要增加另外一个 Tx/Rx 通道。目前的移动手机设计倾向于采用 4xGSM(850、900、1800、1900MHz)和 3xWCDMA(850、1900、2100MHz)前端。因此,手机复杂度已经达到空前的水平。

 

多频手机中的任何设计折中都要求满足或超过所有标准提到的性能等级。一般情况下,多模多频的移动手机使用单个功放模块来处理四频 GSM/EDGE 信号。另一方面,每个 WCDMA 频段需要使用它自己的独立功放。因此,具有一个 WCDMA 频段的四频 GSM 手机至少需要一个单刀六掷(SP6T)开关来管理所有的信号通道。当然,设计师也可以使用一个双工器和两个 SP3T(流行的 GaAs 配置),但与使用单个 SP6T 开关相比这种方法将产生较高的插入损耗。

 

射频设计师需要特别关注插入损耗,因为它直接影响功放的功率附加效率(PAE)。GSM 功放的最大饱和功率一般是 3W,平均 PAE 是 55%。必需达到这个效率水平才能确保较长的电池使用时间,因为手机总电流的一半用在功放上。鉴于此,设计师需要将保持功放的 PAE 定在最高优先等级。一些早期的多频 WCDMA/GSM 手机使用独立的 WCDMA 和 GSM 信号链,并采用独立的天线和无线设计。尽管这种方案在原型和第一代设计中非常有效,但市场需要具有更高性价比且节省空间的方案。显然,业界要求集成式 ASM 能够处理 7 个甚至 9 个信号。

 

图 1:IP3 与器件的三阶交调失真(IMD3)性能有关。

 

针对这个需求,业界开发出了 SP7T 开关来支持具有 1 个 WCDMA 和 4 个 GSM 频段的手机架构。例如 PE42672 就是采用 UltraCMOS 工艺技术开发的单片 SP7T,它能提供+68dBm 的三阶交调截取点(IP3),这个线性度性能值可以满足 3GPP IMD3 规范兼容的手机设计和高效的射频前端要求。IP3 与设备的三阶交调失真(IMD3)性能相互关联,这些相位上的指标如图 1 所示。

 

SP6T 开关是开关架构方面的最新成果之一。经过配置它可以处理多个频段的 WCDMA、GSM 和外围无线设备。例如图 2 所示的开关可以处理三频段的 WCDMA,并提供到双工器和 3 个功放模块的通道(每个 WCDMA 频段要求使用自己的功放和双工器)。这个开关还能处理只有单个功放模块与之相连的四频 GSM/EDGE(包含 2 个功放芯片)。从实际效果看,这个设备必须通过受简单解码器控制的单个开关传送 5 个高功率信号。

 

图 2:SP9T 正在处理三频段的 WCDMA,它提供了到达双工器和三个功放模块的通道。

 

随着多频段架构的普及,对功放和相关滤波器的数量提出了严格的要求。事实上,对功放的技术要求没有变化,但手机设计需要使用更多的功放。因此真正改变的是需要一个特别高效的方法将所有射频信号传送给天线 - 单片开关。

 

手机中增加的频段越多,对开关的技术要求就越高,而且 WCDMA 的线性度和谐波要求对器件性能也带来了很大的压力。通过利用 UltraCMOS 制造工艺的线性优势,图 2 中的单片 PE42693 SP6T 可以保持其前代 SP7T 开关+68dBm 的 IP3,而且 IMD3 性能超过业界标准的 -105dBm(图 1)。

 

SP6T 功能可以用 GaAs 器件实现,但它需要额外的器件,例如 CMOS 译码器和驱动器,这将极大地影响所需 I/O 的数量。对要求高度线性和隔离的 5 个高功率端口来说挑战尤其艰巨,因为 I/O 数量越多,线的耦合和粘合的可能性就越大。

 

图 3:UltraCMOS SP9T 不需要片外 ESD 器件或线性度增强匹配器件。黄框代表译码器,蓝框代表 ESD,绿框代表电压生成器。

 

随着多频段手机越来越流行,对高集成度、小型天线开关的需求也越来越迫切。UltraCMOS SP7T 开关现在已经开始批量生产,SP9T 也在 2007 年底投入批量生产。在外形方面,GaAs SP7T 为 1.6x1.5mm,而采用 SOS 工艺 SP7T 开关只有 1.2x1.0mm,面积缩小了一半。目前的 GaAs E/D pHemt 或 J-pHemt SP9T 开关外形尺寸为 1.9x1.5mm。与之相比,采用 UltraCMOS 0.5μm 工艺制造的 SP9T 外形尺寸为 1.7x1.1mm(图 3),它不需要片外 ESD 器件和性能增强匹配器件。UltraCMOS 发展规划预计 0.25μm 版本的 SP9T 尺寸将达到 1.32x1.29mm。

 

缩小尺寸的另外一种方式是将开关倒装在结实的低温共烧陶瓷(LTCC)基底上,无需占用以前线绑定所需的面积。目前晶圆级芯片尺寸封装正在开发中,它所生产的 UltraCMOS 开关可以如同标准表贴封装那样处理。

 

在使用 UltraCMOS 制造的开关后,设计师可以省去其它开关技术要用到的译码器、隔直电容和双工器。配合芯片尺寸封装技术,这种工艺可以显著减小 ASM 的尺寸和厚度。另外,其固有的 ESD 容差和单片 CMOS 接口可以简化实现和使用。UltraCMOS 工艺的极高良品率和增加开关方向的灵活性可以使未来新一代的手机具有更高的集成度,能够解决多频段手机体积缩小所带来的挑战。

 

多模多频段 GSM/WCDMA 手机的技术要求已经超过了传统 RFIC 技术(如 GaAs)的极限。受这些超高性能要求影响最严重的是天线和射频开关。

 

虽然本文主要讨论的是天线开关,但关键是要认识到对系统天线的显著影响。天线必须能够高效辐射从 800 到 2200MHz 的信号,在微型天线允许的外形尺寸下这是一个相当艰巨的任务。目前业界正在寻找新的技术来解决这个问题,考虑到天线匹配问题,可能使用开关和集总调谐元件。总之,射频开关必须能够切换最多 9 条大功率射频信号通道,并且要具有低插损、高隔离和线性度。