Cómo optimizar el SWaP en las cadenas de señales de RF de alto rendimiento

La demanda de conectividad inalámbrica de alto rendimiento sigue aumentando en un abanico cada vez más amplio de aplicaciones, desde teléfonos inteligentes hasta computadoras portátiles, tabletas, dispositivos para vestir, drones, puntos de acceso y aparatos habilitados para el hogar inteligente y el Internet de las cosas (IoT). Para los diseñadores de estos dispositivos, un elemento diferenciador fundamental es la experiencia del usuario final, que en gran parte viene determinada por la calidad, el rendimiento y la fiabilidad de la señal inalámbrica, así como por la duración de la batería. El tamaño y el peso de los dispositivos también son elementos diferenciadores importantes, sobre todo en los dispositivos para vestir. Para los diseñadores, la optimización de estos parámetros requiere un examen minucioso de todos los aspectos de la cadena de señales de radiofrecuencia (RF), lo que puede suponer un reto desalentador tanto para los expertos como para los novatos en RF.

En este artículo se revisan varias partes de la cadena de señales de RF y describe cómo los sintonizadores de antena, los conmutadores cruzados de RF, los conmutadores de diversidad de antena, los amplificadores de bajo ruido (LNA) y los transistores de RF de bajo ruido contribuyen a las soluciones de alto rendimiento, además de examinar las opciones de interfaz de control. A continuación, se presentan componentes ejemplares de Infineon y se muestra cómo soportan los diseños de RF de alto rendimiento a la vez que cumplen con los requisitos de tamaño, peso y potencia (SWaP) cada vez más exigentes. Termina comparando dos opciones de encapsulado pequeño sin plomo (TSNP) para soluciones compactas de RF.

Lo esencial de la antena

El rendimiento de la antena es fundamental en los dispositivos conectados de hoy. La sintonización puede permitir que una sola antena ofrezca un buen rendimiento en varias bandas de frecuencias y contribuir a una solución más compacta y eficiente. Los diseñadores pueden utilizar interruptores en la sección del sintonizador de antena de la cadena de señal de RF para maximizar la transferencia de potencia a la antena y optimizar el rendimiento según los requisitos específicos de la aplicación (Figura 1).

Figura 1: Los conmutadores de sintonía de la antena se utilizan en la sección del sintonizador para optimizar el rendimiento de la antena. (Fuente de la imagen: Infineon)

Interruptores transversales de RF

En muchas aplicaciones, la sintonización de la antena es una condición necesaria, pero no suficiente para garantizar un rendimiento óptimo. En esos casos, puede ser necesaria más de una antena. Se puede añadir un conmutador cruzado de RF a la cadena de señales para permitir la selección de la antena que ofrezca el mejor rendimiento en una situación determinada, aumentando la potencia de transmisión o la sensibilidad del receptor (figura 2). Los conmutadores cruzados de RF tienen que proporcionar una conmutación eficaz y rápida para poder realizar cambios útiles de antena, y deben tener un alto aislamiento, una baja pérdida de inserción y generar bajos armónicos para apoyar un funcionamiento eficaz y fiable del sistema.

Figura 2: El uso de un conmutador cruzado de RF permite seleccionar la antena de mejor rendimiento para los enlaces ascendentes o descendentes. (Fuente de la imagen: Infineon)

Conmutadores de diversidad y LNA

A veces, el cambio a la mejor antena sigue siendo insuficiente para soportar el ancho de banda requerido. Cuando esto ocurre, se añade a la cadena de señales de RF un canal adicional llamado ruta de diversidad. La diversidad de antenas mejora la calidad y la fiabilidad de la transmisión y la recepción. Los conmutadores de diversidad se utilizan en una serie de aplicaciones, desde equipos de red Wi-Fi hasta teléfonos inteligentes y tabletas. Estos conmutadores pueden utilizarse para compensar las interferencias multitrayecto en la recepción de la señal. El receptor supervisa las señales entrantes y cambia de antena en función de la intensidad de la señal. Como en el caso de los conmutadores cruzados de RF, los conmutadores de diversidad deben tener un alto aislamiento, bajas pérdidas de inserción y generar bajos armónicos.

Los LNA son otra parte fundamental de la cadena de señales de RF (Figura 3). Al igual que los distintos enfoques de la gestión de antenas, el uso de LNA puede mejorar la calidad de la recepción y aumentar la velocidad de los datos. Los LNA están disponibles con una ganancia fija o con múltiples pasos de ganancia que pueden utilizarse para ajustar el rendimiento. Los LNA basados en la tecnología de circuitos integrados monolíticos de microondas (MMIC) se han fabricado tradicionalmente con tecnología de arseniuro de galio (GaAs). Los LNA MMIC de germanio de silicio (SiGe) desarrollados más recientemente pueden soportar las frecuencias necesarias a un coste menor. Los LNA son dispositivos muy compactos que pueden integrarse fácilmente en paquetes muy pequeños. Además, los LNA MMIC están disponibles con protección integrada contra descargas electrostáticas (ESD), y su bajo consumo de energía los hace muy adecuados para dispositivos móviles y wearables, donde el SWaP es una consideración importante.

Figura 3: El uso de conmutadores de diversidad y LNA puede ayudar a mejorar la calidad de la recepción y aumentar la velocidad de los datos. (Fuente de la imagen: Infineon)

Interfaces de control

Los conmutadores de sintonía de antena, los conmutadores cruzados y los conmutadores de diversidad suelen requerir una interfaz con el controlador del sistema. En implementaciones sencillas, se suele utilizar una interfaz de entrada/salida de propósito general (GPIO). Un GPIO es un pin de señal no comprometido y controlable por software en un CI que puede ser programado para actuar como entrada o salida, o ambos, según sea necesario.

Para necesidades de control más complejas, se suele utilizar el estándar MIPI (Mobile Industry Processor Interface). La interfaz de control MIPI RF front-end (RFFE) se ha optimizado para su uso en cadenas de señales RF de alto rendimiento con el fin de proporcionar funciones de control rápidas, semiautomatizadas y amplias. El MIPI RFFE puede incluir hasta 19 dispositivos por bus (hasta cuatro dispositivos líderes y 15 dispositivos seguidores). Está diseñado para su uso con LNA, sintonizadores de antena, conmutadores, amplificadores de potencia y filtros. MIPI RFFE puede facilitar el diseño, la configuración y la integración de las cadenas de señales de RF, y admite el uso de componentes de diferentes proveedores.

LNA controlable por MIPI

Los diseñadores pueden utilizar el LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 de Infineon para cadenas de señales de RF de alto rendimiento. La interfaz MIPI puede controlar los ocho modos de ganancia y los 11 modos de polarización para aumentar el rango dinámico del sistema adaptándose activamente a las condiciones cambiantes del entorno de RF (Figura 4). Está diseñado para utilizarse en las bandas 3GPP entre 1.4 y 2.7 gigahercios (GHz) (principalmente para las bandas B1, B3, n41 y B21). Puede proporcionar un factor de ruido de 0.6 decibelios (dB) y una ganancia de hasta 20.2 dB con 5.8 miliamperios (mA) de corriente. Funciona con tensiones de alimentación de 1.1 a 2.0 voltios y está calificado para aplicaciones industriales según JEDEC47/20/22.

Figura 4: La interfaz MIPI de este LNA puede controlar ocho modos de ganancia y 11 modos de polarización para optimizar el rendimiento. (Fuente de la imagen: Infineon)

Tiene varias características que ayudan a cumplir los exigentes requisitos de SWaP, entre ellas:

• Tamaño: El TSNP-9 de nueve patillas mide 1.1 × 1.1 milímetros (mm), y su altura de 0.375 mm lo hace adecuado para aplicaciones con poco espacio.
• Peso: El paquete TSNP-9 se ha optimizado para su uso cuando el peso ligero es un requisito.
• Alimentación: El LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1 tiene una corriente de derivación de solo 2 microamperios (µA), lo que amplía el tiempo de funcionamiento de la batería.

Interruptor de diversidad de antena

El conmutador diversity unipolar de doble tiro (SPDT) de banda ancha BGS12WN6E6327XTSA1 de Infineon tiene una velocidad de conmutación típica de 160 nanosegundos (ns), además de lógica de control integrada (decodificador) y protección ESD (Figura 5). Diseñado para su uso en cadenas de señales RF de Wi-Fi, Bluetooth y banda ultraancha, cualquiera de los dos puertos puede conectarse a una antena de diversidad y manejar hasta 26 dB, referidos a 1 milivatio (dBm). Está fabricado con tecnología MOS y ofrece el rendimiento de un dispositivo de GaAs, pero elimina la necesidad de condensadores de bloqueo de CC externos en los puertos de RF, a menos que se prevea aplicar una tensión de CC externa.

El chip incluye lógica CMOS accionada por una única señal de control compatible con CMOS o TTL. Presenta un elevado aislamiento puerto a puerto y bajas pérdidas de inserción hasta 9 GHz. Para reducir el tamaño y el peso, el dispositivo se presenta en un envase PG-TSNP-6-10 que mide 0.7 × 1.1 mm con una altura máxima de 0.375 mm. Puede funcionar con tensiones de alimentación de hasta 4.2 voltios con una corriente de alimentación típica de 36 µA y una corriente de control de 2 nanoamperios (nA), lo que maximiza el tiempo de funcionamiento en dispositivos alimentados por batería.

Figura 5: El conmutador diversity SPDT BGS12WN6E6327XTSA1 puede conmutar en 160 ns e incluye lógica de control y protección ESD integradas. (Fuente de la imagen: Infineon)

Interruptor transversal RF

El conmutador cruzado CMOS BGSX22G6U10E6327XTSA1 de Infineon está diseñado específicamente para aplicaciones GSM, WCDMA, LTE y 5G. Este conmutador de doble polo y doble tiro (DPDT) presenta una baja pérdida de inserción a frecuencias de hasta 7.125 GHz, una baja generación de armónicos y un alto aislamiento entre sus puertos de RF. Su tiempo de conmutación de 1.3 microsegundos (µs) permite admitir aplicaciones de señal de referencia de sonido (SRS) 5G. Tiene una interfaz de control GPIO y funciona con tensiones de alimentación de 1.6 a 3.6 voltios. El encapsulado PG-ULGA-10 mide 1.1 × 1.5 mm, tiene 0.60 mm de grosor y está optimizado para aplicaciones con limitaciones de espacio y peso. Este dispositivo de bajo consumo tiene una corriente de alimentación típica de 25 µA y una corriente de control de 2 nA.

Interruptor de sintonización de la antena

Los diseños que requieren un conmutador de sintonía de antena de un solo polo y cuatro tiros (SP4T) optimizado para aplicaciones de hasta 7.125 GHz pueden utilizar el BGSA14M2N10E6327XTSA1 de Infineon. Los cuatro puertos de resistencia de encendido de 0.85 ohmios (Ω) están diseñados para su uso en aplicaciones de sintonización de alto Q. La interfaz de control digital MIPI RFEE simplifica la implementación en las cadenas de señales de RF. Su capacidad de tensión de pico de 45 voltios y su baja capacitancia de 160 femtofaradios (fF) en el estado OFF lo hacen muy adecuado para conmutar inductores y condensadores en circuitos de adaptación de antenas de RF sin pérdidas significativas (Figura 6). El encapsulado TSNP-10-9 de 1.3 × 0.95 mm y 0.375 mm de altura, combinado con un consumo de corriente de 22 µA, hacen que este dispositivo sea capaz de soportar aplicaciones SWaP difíciles.

Figura 6: El BGSA14M2N10E6327XTSA1 puede conmutar eficazmente inductores y condensadores en circuitos de adaptación de antenas de RF. (Fuente de la imagen: Infineon)

Transistores de RF

Una cadena de señales de RF de alto rendimiento comienza con la sección del transceptor y el amplificador de RF. Para ello se necesitan transistores de potencia de RF como el transistor bipolar de heterojunción (HBT) NPN RF de banda ancha BFP760H6327XTSA1 de Infineon, que se caracteriza por:

• Bajo factor de ruido mínimo (NF_min) de 0.95 dB a 5.5 GHz, 3 voltios, 10 mA
• Alta ganancia de potencia máxima (G_ms) de 16.5 dB a 5.5 GHz, 3 voltios, 30 mA
• Alta linealidad con un punto de intercepción de tercer orden en la salida (OIP₃) de 27 dBm a 5.5 GHz, 3 voltios, 30 mA

Este transistor de potencia está calificado para aplicaciones industriales. Está diseñado para su uso en sistemas de comunicaciones inalámbricas y por satélite, dispositivos de navegación GPS, dispositivos multimedia móviles y otras aplicaciones de RF de alto rendimiento.

Opciones del paquete TSNP

El pequeño tamaño de los paquetes TSNP requiere tolerancias geométricas estables en la placa de circuito impreso, por lo que debe utilizarse un diseño de almohadilla sin máscara de soldadura (NSMD). Las tolerancias de los pads para NSMD son menores en comparación con la resistencia a la soldadura. Para la NSMD, las trazas en la placa de circuito impreso deben ser de 100 micrómetros (µm) o menos. Normalmente, las almohadillas de la placa de circuito impreso para TSNP sólo de fondo, como las utilizadas por el LNA BGA9H1MN9E6329XTSA1, el conmutador de diversidad de antena BGS12WN6E6327XTSA1 y el conmutador de sintonización de antena BGSA14M2N10E6327XTSA1 descritos anteriormente, se diseñan transfiriendo el contorno de la almohadilla del paquete y añadiendo 25 µm alrededor de los lados de las almohadillas.

Los diseñadores deben saber que hay más de un estilo de almohadilla TSNP. Existe la almohadilla estándar y hay almohadillas diseñadas para la inspección óptica de puntas de plomo (LTI) (Figura 7). Los dispositivos LTI requieren un área de montaje más grande, ya que la almohadilla de la placa de circuito impreso debe extenderse más allá del contorno del paquete por un mínimo de 400 μm (Figura 7). Aunque el diseño LTI admite la inspección óptica, puede no ser adecuado para los diseños críticos de SWaP que requieren el menor tamaño de solución posible.

Figura 7: Hay paquetes de TSNP que utilizan almohadillas estándar (izquierda) o almohadillas más grandes optimizadas para LTI óptico (derecha). (Fuente de la imagen: Infineon)

Conclusión:

Las consideraciones de SWaP son importantes a la hora de especificar los sintonizadores de antena, los conmutadores cruzados de RF, los conmutadores de diversidad de antena, los LNA y los transistores de RF de bajo ruido en una serie de dispositivos inalámbricos portátiles y vestibles. Como se ha demostrado, Infineon ofrece a los diseñadores una gama de dispositivos para su uso en aplicaciones de cadena de señal de RF de alto rendimiento que también pueden satisfacer los exigentes requisitos de SWaP. Con estos dispositivos, los diseñadores pueden optimizar la fiabilidad y el ancho de banda de la cadena de señales de radiofrecuencia y prolongar la duración de la batería.

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