如何在高效能 RF 訊號鏈中達到 SWaP 最佳化

對高效能無線連線的需求，不斷在眾多應用中增長，包括從智慧手機到筆記型電腦、平板電腦、穿戴式裝置、無人機、存取點，以及智慧家庭和支援物聯網 (IoT) 的電器。對於這些裝置的設計人員來說，有個關鍵的差異化因素就是最終使用者的體驗；這絕大部分是取決於無線訊號的品質、輸送量和可靠性，還有電池續航力。裝置的尺寸和重量也是重要的差異化因素，尤其是穿戴式裝置。對於設計人員來說，要將這些參數最佳化，就需要仔細研究無線射頻 (RF) 訊號鏈的各個層面，這對專家和 RF 新手來說都是艱鉅的挑戰。

本文將探討 RF 訊號鏈的多個零件，並說明天線調諧器、RF 交叉開關、天線分集開關、低雜訊放大器 (LNA) 和低雜訊 RF 電晶體如何促成高效能的解決方案，也會瞭解控制介面的選項。接著將介紹 Infineon 的範例元件，瞭解其如何支援高效能的 RF 設計，同時滿足日益嚴格的尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求。最後，本文會比較緊湊型 RF 解決方案的兩種小型無引線封裝 (TSNP) 選項。

天線要點

天線的效能在當今的連線裝置中相當關鍵。調諧可讓單一天線在多個頻段內提供良好的效能，有助於達到更緊湊且有效率的解決方案。設計人員可以在 RF 訊號鏈的天線調諧器區塊使用開關，將天線的功率傳輸最大化，並且依照特定應用需求將效能最佳化 (圖 1)。

圖 1：調諧器區塊中使用天線調諧開關讓天線效能最佳化。(圖片來源：Infineon)

RF 交叉開關

在許多應用中，天線調諧是確保最佳效能的必要條件，但也未必足夠。在這些情況下，可能需要多個天線。可以在訊號鏈中添加一個 RF 交叉開關，透過天線的選擇，在特定情況下提高傳輸功率或接收器的靈敏度，以便提供最佳效能 (圖 2)。RF 交叉開關需要提供快速有效的切換，以支援實用的天線切換，而且害要具備高隔離度、低插入損耗，還得產生低諧波，以支援高效可靠的系統運作。

圖 2：使用 RF 交叉開關即可選擇適合上行鏈路或下行鏈路的最佳效能天線。(圖片來源： Infineon)

分集開關和 LNA

有時，切換到最佳天線仍不足以支援需求頻寬。在此情況下，會在 RF 訊號鏈中添加一個稱為分集路徑的額外通道。天線分集可改善發射和接收的品質和可靠性。分集開關可用於 Wi-Fi 網路設備到智慧手機和平板電腦的多種應用。這些開關可用於補償訊號接收中的多路徑干擾。接收器會監測輸入訊號，並依據相對訊號強度在天線之間切換。與 RF 交叉開關一樣，分集開關需要具有高隔離度、低插入損耗，並可產生低諧波。

LNA 是 RF 訊號鏈的另一個關鍵部分 (圖 3)。與各種天線管理方法一樣，使用 LNA 可以提高接收品質並提高數據傳輸率。LNA 可提供固定增益或多個增益步進，可用於微調效能。基於單晶微波積體電路 (MMIC) 技術的 LNA，傳統上使用砷化鎵 (GaAs) 技術製造。近期開發的矽鍺 (SiGe) LNA MMIC 則可以更低的成本支援所需的頻率。LNA 是高度緊湊的裝置，可立即整合到非常小的封裝中。此外，LNA MMIC 具有整合式靜電放電 (ESD) 保護功能，且具有低功耗，因此非常適合重視 SWaP 的行動裝置和穿戴式裝置。

圖 3：使用分集開關和 LNA 有助於提升接收品質並提高數據傳輸率。(圖片來源：Infineon)

控制介面

天線調諧開關、交叉開關和分集開關通常需要一個介面與系統控制器連接。在簡易實作中，通常會使用通用輸入／輸出 (GPIO) 介面。GPIO 是 IC 上一個非專用的軟體可控制訊號引腳，可以依據需求程式化，當作輸入或輸出，或充當兩者。

若有更複雜的控制需求，通常會採用行動產業處理器介面 (MIPI) 標準。MIPI 無線射頻前端 (RFFE) 控制介面經過最佳化，可用於高效能的 RF 訊號鏈，可提供快速、半自動的多種控制功能。MIPI RFFE 每個匯流排最多可包含 19 個裝置 (最多 4 個主裝置和 15 個從屬裝置)。其設計可搭配 LNA、天線調諧器、開關、功率放大器和濾波器使用。MIPI RFFE 有利於 RF 訊號鏈的設計、配置和整合，並支援使用不同供應商的元件。

MIPI 可控 LNA

設計人員可以將 Infineon 的 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 用於高效能 RF 訊號鏈。MIPI 介面可以控制 8 種增益模式和 11 種偏壓模式，可在 RF 環境中主動適應不斷變換的條件，藉此提升系統動態範圍 (圖 4)。此設計可用於 1.4 和 2.7 GHz 之間的 3GPP 頻段 (主要用於頻段 B1、B3、n41 和 B21)。可以提供 0.6 dB 的雜訊指數和高達 20.2 dB 的增益，電流為 5.8 mA。此元件可在 1.1 至 2.0 V 的電源電壓下工作，符合 JEDEC47/20/22 的工業應用標準。

圖 4：此 LNA 上的 MIPI 介面可以控制 8 種增益模式和 11 種偏壓模式，可達到效能最佳化。(圖片來源：Infineon)

具有多種特點，有助於符合高要求的 SWaP 要求，包括：

• 尺寸：9 引腳 TSNP-9 尺寸為 1.1 × 1.1 mm，高度為 0.375 mm，因此非常適合空間受限的應用。
• 重量：TSNP-9 封裝經過最佳化，可用於需要輕量化的應用。
• 功率：BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 的旁路電流僅有 2 μA，可延長電池運作時間。

天線分集開關

Infineon 的 BGS12WN6E6327XTSA1 廣頻單軸雙切 (SPDT) 分集開關具有 160 ns 的典型切換速度，還有整合式控制邏輯 (解碼器) 和 ESD 保護 (圖 5)。此設計可用於 Wi-Fi、藍牙和超廣頻 RF 訊號鏈，兩個埠中的任何一個都可以連接到分集天線，可處理高達 26 dB (以 1 dBm 為基準)。採用 MOS 技術製造，可提供 GaAs 裝置的效能，但無需在 RF 埠上使用外部 DC 阻隔電容，除非預期施加外部 DC 電壓。

此晶片含有 CMOS 邏輯，可由單一個 CMOS 或 TTL 相容的控制訊號驅動。具有埠對埠高隔離度，以及高達 9 GHz 的低插入損耗。為了縮減尺寸和重量，此裝置採用 PG-TSNP-6-10 封裝，尺寸為 0.7 × 1.1 mm，最大高度為 0.375 mm。可在高達 4.2 V 的電源電壓下工作，典型電源電流為 36 μA，控制電流為 2 nA，能讓電池供電式裝置達到最長的續航力。

圖 5：BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT 分集開關可在 160 ns 內切換，並含有整合式控制邏輯和 ESD 保護。(圖片來源：Infineon)

RF 交叉開關

Infineon 的 BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS 交叉開關專為 GSM、WCDMA、LTE 和 5G 應用而設計。這款雙軸雙切 (DPDT) 開關在高達 7.125 GHz 的頻率下具有低插入損耗、低諧波生成，且在 RF 連接埠之間具有高隔離度。切換時間為 1.3 μs，可支援 5G 探測參考訊號 (SRS) 應用。具有 GPIO 控制介面，可在 1.6 至 3.6 V 的電源電壓下工作。PG-ULGA-10 封裝尺寸為 1.1 × 1.5 mm，厚度為 0.60 mm，針對空間和重量受限的應用進行最佳化。這款低功耗裝置的典型電源電流為 25 μA，控制電流為 2 nA。

天線調諧開關

若設計需要採用針對高達 7.125 GHz 應用進行最佳化的單軸四切 (SP4T) 天線調諧開關，則可使用 Infineon 的 BGSA14M2N10E6327XTSA1。四個 0.85 Ω 導通電阻埠的設計可用於高 Q 值調諧應用。MIPI RFEE 數位控制介面可簡化在 RF 訊號鏈中的實作。具有 45 V 的峰值電壓能力，以及在斷態下的 160 fF 低電容值，因此非常適合在 RF 天線匹配電路中切換電感和電容，而不會有顯著損耗 (圖 6)。TSNP-10-9 封裝的尺寸為 1.3 x 0.95 mm，高度為 0.375 mm，具有 22 μA 電流消耗量，因此可支援高要求的 SWaP 應用。

圖 6：BGSA14M2N10E6327XTSA1 可有效切換 RF 天線匹配電路中的電感和電容。(圖片來源：Infineon)

RF 電晶體

要有高效能的 RF 訊號鏈，先從收發器和 RF 放大器區塊開始。這需要類似 Infineon BFP760H6327XTSA1 寬頻 NPN RF 異質接面雙極電晶體 (HBT) 的 RF 功率電晶體，其具有以下特點：

• 在 5.5 GHz、3 V、10 mA 下的最小雜訊係數 (NF_min) 僅有 0.95 dB
• 在 5.5 GHz、3 V、30 mA 下的最大功率增益 (G_ms) 高達 16.5 dB
• 在 5.5 GHz、3 V、30 mA 下的輸出具有 27 dBm 的三階截斷點 (OIP₃) 高線性度。

此功率電晶體適用於工業應用。此設計可用於無線和衛星通訊系統、GPS 導航裝置、行動多媒體裝置和其他高效能 RF 應用。

TSNP 封裝選項

TSNP 封裝的採用小巧尺寸，需要在 PCB 上具有穩定的幾何容差，因此應使用非防焊限定 (NSMD) 焊墊設計。與防焊款式相比，NSMD 的焊墊容差更低。若是 NSMD，印刷電路板上的走線應為 100 μm 或更小。通常，TSNP 底部限定的印刷電路板焊墊，如 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA、BGS12WN6E6327XTSA1 天線分集開關和上述 BGSA14M2N10E6327XTSA1 天線調諧開關所用的焊墊，在設計上會轉移焊墊外型輪廓，並在焊墊兩側增加 25 μm。

設計人員需注意，TSNP 焊墊的樣式不止一種。有標準焊墊，也有專為光學引線尖點檢測 (LTI) 設計的焊墊 (圖 7)。LTI 裝置需要更大的安裝面積，因為印刷電路板焊墊需要超出封裝輪廓至少 400 μm (圖 7)。雖然 LTI 的設計可支援光學檢測，但可能不適合需要盡可能採用最小解決方案尺寸的 SWaP 關鍵設計。

圖 7：TSNP 封裝可使用標準焊墊 (左) 或針對光學 LTI 最佳化的較大焊墊 (右)。(圖片來源：Infineon)

結論

針對多種可攜式與穿戴式無線裝置挑選天線調諧器、RF 交叉開關、天線分集開關、LNA 和低雜訊 RF 電晶體時，SWaP 的考量非常重要。如本文所述，Infineon 為設計人員提供一系列用於高效能 RF 訊號鏈應用的裝置，可以滿足嚴格的 SWaP 要求。透過這些裝置，設計人員可以將 RF 訊號鏈的可靠性和頻寬達到最佳化，並延長電池續航力。

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