Más pequeño es mejor: Miniaturización RF - Parte 2

La segunda parte de este artículo se centra en la miniaturización de algunos sistemas y componentes clave que permitirán a los diseñadores de la próxima generación de enlaces inalámbricos (hello, Internet de las cosas) proveer a radios y subsistemas de radio más pequeños y más eficiente. Vamos a examinar los componentes activos de pequeño tamaño como transistores RF, mezcladores, moduladores, amplificadores y se analizarán los dispositivos de chip que resultan útiles para los prototipos de sistemas en chip (SoC) y los módulos multichip (MCM) y para las series de producción iniciales.

En la parte 1 se hizo referencia a las más recientes y pequeñas piezas pasivas que integran diversos componentes discretos en pequeñas versiones para montaje en superficie. Estas ahorran espacio, costo y mejoran el rendimiento, y además están ampliamente disponibles para su uso con los modernos chips transceptores estándar con enlace de radio, cuyos diseños se ubican con frecuencia en su tercera o cuarta generación. Muchos además se pueden utilizar para el diseño personalizado de radios de la próxima generación.

Los componentes activos y discretos (o de bloque funcional) están abordando las soluciones de la próxima generación para Redes de Área Personal (PAN) y computadoras portátiles. Si bien no logran ser funcionalmente densas, las piezas flexibles se pueden utilizar para continuar la tendencia hacia sistemas de mayor frecuencia y menor longitud de onda. Estos permiten una reducción aún mayor del tamaño y pueden utilizar niveles de energía más bajos ya que el campo de RF PAN es muy limitado en espacio volumétrico.

Los diseñadores innovadores deseosos de liderar, en vez de seguir a los demás, serán responsables de diseñar y construir sus propios sistemas de radio de última generación utilizando sistemas de bloques disponibles actualmente. En este artículo se examinarán algunos de estos bloques activos. Todas las piezas, hojas de datos, tutoriales, y kits de desarrollo a los que se hace referencia aquí pueden encontrarse en el sitio web de DigiKey.

Volver a empezar, otra vez

En el diseño de radios de la próxima generación, se suelen necesitar dos importantes niveles de prototipos. El grupo de desarrollo funcional seguramente quiera bloques funcionales integrados con acceso entre las etapas para la medición y optimización. Esto permite probar y ajustar los valores a fin de optimizar la transferencia de energía y mantener la integridad de la señal por etapas.

Si bien algunos fabricantes de chip tranceptores de radio avanzados se inclinan ahora por los productos acabados como los MCM, el mejor retorno de la inversión es con un dispositivo monolítico. Como dispositivos de segunda o tercera generación, la forma monolítica reducida es generalmente mucho más rentable y a menudo menor y con mejor rendimiento, ya que aprovecha la experiencia adquirida con las versiones anteriores.<e>

Sin embargo, esta transformación en forma monolítica surte efecto en un nuevo diseño. Las operaciones de rastreo sobre la placa de CI se caracterizan por las funciones de estrictas impedancias y de transmisión de línea. En un chip de silicona personalizado o en un módulo multichip, todas las características deberán restablecerse utilizando nuevos materiales y tamaños. Entonces, en efecto, desde una perspectiva física, se trata de un nuevo diseño.

Aquí es donde los conmutadores de RF pueden resultar de importancia para crear prototipos de una nueva generación de radios. Al proporcionar acceso conmutado a nodos internos, los diseñadores pueden dirigir los pasos de señal, probar o ajustar la fase. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que es necesario ajustar los interruptores también. Los interruptores de contacto estándar pueden no funcionar con RF. Las señales de alta frecuencia utilizan espaciamiento de contacto (e incluso espaciamiento dieléctrico) como capacitores de alimentación pasante. Por lo tanto, se requieren conmutadores especiales (y conectores) de RF.

Numerosos interruptores de RF monolíticos de buena calidad y tamaño reducido están listos para servir de manera inmediata tanto para acceso interno a etapas de prototipo o para diseño de antenas múltiples o de paso compartido. Debe destacarse que estos se caracterizan por tener limitaciones de frecuencia superior e inferior, así como pérdidas de inserción y lotes de frecuencia de aislamiento espectral. Además, tenga en cuenta que existen distintas topologías para proporcionar más flexibilidad de ruta de señal, especialmente en circunstancias en que una antena individual puede servir varias frecuencias, anchos de banda y protocolos. Un multiplexor, por ejemplo, requiere menos rastros de señal discreta que los interruptores discretos.

Veamos el interruptor de RF reflectante Peregrine 4259-63 en paquete compacto (SC70-6). Exhibe 50 Ohmios desde 10 MHz a 3 GHz, y es un interruptor de RF SPDT de propósito general con pérdidas de inserción de 0.5 db Una característica interesante es el control seleccionable de línea única o doble, que permite realizar operaciones de "interrumpir antes de completar."

Esta pieza es parte de la serie UltraCMOS del proveedor que utiliza sustratos de zafiro para proporcionar un rendimiento comparable a las tecnologías más costosas de germanio de silicio o arseniuro de galio, mientras que también ofrece un mejor manejo de la potencia y tolerancia a la electricidad estática. Los miembros de la familia incluyen interruptores de RF, mezcladores, y atenuadores.

Los tipos de interruptores de absorción también puede utilizarse para la conmutación mutuamente excluyentes y de equilibrio de carga. Por ejemplo, el dispositivo SPDT RF3025TR7 de 50 ohmios deRF Micro Devices ofrece una gama muy amplia desde 10 MHz a 6 GHz con una pérdida de inserción muy baja de 1.1 dB (Figura 1). La misma puede llegar a ser 0.5 dB en las frecuencias por debajo de 1 GHz, ofreciendo un paso claro para un receptor UHF que comparte, por ejemplo, la misma antena.

Figura 1: Los interruptores de absorción pueden ofrecer condiciones no conmutadas terminadas o cargadas y ayudar a mantener la coherencia en las impedancias de paso de señal.

Dependiendo de las frecuencias de interés, las selecciones de las bandas oscilan hasta operaciones a 86 MHz. Para soluciones MCM y SoC, se puede utilizar el interruptor de RF de chip SPDT de 86 MHz SPDT de Hittite (ahora parte de Analog Devices). El HMC-SDD112 cuenta con una buena frecuencia de aislamiento de 30 dB a 86 MHz y una muy baja pérdida de inserción de 2 dB. En la actualidad se utiliza para modernos radares, a medida que se fijan enlaces de más alta frecuencia y alta velocidad de datos, es seguro que otras piezas adicionales estarán disponibles.

En la mezcla

Los mezcladores RD son moduladores de 3 puertos o demoduladores que pueden ser activos o pasivos. Pueden ser utilizados tanto para conversión ascendente (cuando se utilizan en un transmisor) o descendente (si se utiliza en un receptor) [figura 2]. La entrada de RF se combina con un oscilador local para crear una frecuencia intermedia que conserva las señales de interés en una mezcla de frecuencia inicial, la frecuencia del oscilador local y las frecuencias de suma y diferencia, que esperamos se logren sin cambio de fase o atenuación.

Figura 2: Los mezcladores de conversión ascendente (izquierda) y conversión descendente (derecha) en forma tanto pasiva como activa proporcionan las funciones rudimentarias de modulación que se requieren en diseños de radiofrecuencia. Los mezcladores activos pueden ser parte de una nueva generación de prototipos que utilicen componentes activos discretos y puedan migrar al chip una vez que se alcance una solución monolítica.

Los mezcladores pasivos tienden a presentar pérdidas, mientras que los mezcladores activos pueden exhibir una ganancia. Si bien los mezcladores pasivos pueden tener grandes anchos de banda y buenas características de distorsión de intermodulación, los mezcladores activos pueden estar mejor integrados en una solución de chip único y pueden proporcionar un buen aislamiento de señal, así como una menor sensibilidad para compatibilidad de carga.

Al igual que los interruptores, los mezcladores son seleccionados por sus rangos de frecuencia, pérdidas y características de fase. Un ejemplo de ello es el convertidor MAX2682EUT+T de Maxim en un paquete compacto SOT23-6 que puede utilizarse en diseños de comunicaciones ISM y celulares o implementar cualquier diseño de una nueva radio entre 400 MHz y 2.5 Ghz Basado en un proceso de germanio de silicio, funciona bien para enlaces compartidos de GPS e ISMA de 2.4 GHz. Maxim ofrece varias notas de aplicaciones incluyendo las guías de diseño de placa de CI ¹, front-ends GPS ² y enlaces de receptor de satélite³.

Existen varias opciones para bandas de 5 GHz, que pueden compartir conectividad con bandas de 2.4 GHz para conexiones LAN inalámbricas de velocidad más alta y de doble banda. Piezas como el HMC557LC4TR de Hittite pueden funcionar como un convertidor ascendente y un convertidor descendente en un diseño de transceptor capaz de abarcar 2.4 GHz a 7 GHz con un amplio ancho de banda IF de DC-3 GHz.

Las piezas de ancho de banda superiores, de 6 Ghz a 10 GHz como la HMC520LC4TR de Hittite son útiles para aplicaciones de tratamiento de imágenes como los cables de pared, detectores de clavos y pernos. Además, para la próxima generación de computadoras portátiles, la pieza HMC1081 podrá operar las bandas 60 GHz que en la actualidad son manejadas con aplicaciones de PAN. Las unidades ultrapequeñas requerirán soluciones monolíticas, de modo que las piezas de chip como la HMC1081 son ideales para usar en su prototipo MCMS.

Transistores de RF

Cuando se requiere impulsión externa para proporcionar mayor potencia de salida que la que un transmisor monolítico normalmente puede manejar, se pueden utilizar transistores de RF externos. Estas piezas pueden ser colocadas más próximas a las antenas para mejorar la eficiencia y proporcionar una mayor corriente de transmisión. Los transistores de RF pueden utilizarse también como conmutadores de alta potencia para aislar secciones sensibles mientras tiene lugar la transmisión de alta potencia.

A menudo, los controladores de salida utilizan transistores NPN y PNP ya que son más resistentes que los FET (pero no siempre). Los FET son muy eficaces en ofrecer las tarifas más bajas en resistencias ON y, como resultado, pueden ser utilizados en forma más eficaz en el paso de señal. Esto se puede ser para dirigir un paso de señal, como por ejemplo a otra antena, o para entrar en una cadena de señal con objetivo de prueba. Como era de esperar, la selección del transistor, en primer lugar, estará basada en la frecuencia y el voltaje operativos, pero la baja R_DS(ON), la capacidad de manejo de corriente y el tamaño son también factores clave.

Los transistores pueden ser utilizados en todas las bandas, incluyendo UHF, que tiene ventajas cuando se requiere penetración de señal a través de las paredes y otras estructuras. Las piezas como el CEL NE68019-A admiten señales sub-2GHz en paquete SOT 543 compacto de 3 clavijas y puede ofrecer una mayor potencia de salida que lo que normalmente está disponible dentro de un chip de radio monolítico.

También se puede utilizar el dispositivo 2SC5084-O(TE85L,F) de Toshiba, el cual funciona hasta 7 GHz con 150 mW de capacidad de manejo de potencia de salida. Este puede manejar fácilmente 5 GHz por lo que puede ser utilizado con Wi-Fi de doble banda, así como ZigBee, GSM, Bluetooth, y otros protocolos de 2.4 GHz.

Las piezas de baja frecuencia como el dispositivo de entrada y salida de 50 ohmios 2SC2714-O(TE85L,F) de Toshiba pueden utilizarse para etapas de salida de FM, así como los mezcladores de conmutación IF de mayor frecuencia. Los osciladores IF seleccionables pueden admitir los mismo bloques de transceptor para manejar distintos anchos de banda. Además, se debe tener en cuenta que las matrices de transistores pueden ser utilizadas también para ahorrar aún más espacio, pero es posible que se pierdan las ventajas de diseño de colocar elementos individuales siempre que se desee.

Productos de chip

Una amplia variedad de productos de chip están disponibles para prototipos MCM o producción experimental. Con sustratos cerámicos de flash recocido, incluso los dispositivos pasivos para montaje en superficie pueden coexistir con dispositivos de chips conectados. Además, la tecnología de chip en placa se puede utilizar con apilados de RF para incorporar antenas de placa y/o de chip.

Las numerosas funciones discretas, como atenuadores, amplificadores, mezcladores, y moduladores, proporcionan amplia libertad a la hora de estructurar un nuevo diseño. Lo que es más, proporcionan el más alto nivel de integración funcional con el mínimo riesgo dado que cada bloque funcional está bien caracterizado y funciona directamente desde el ducto.

Si se trata de un amplificador de 3 etapas de 6-20 GHz como el Avago AMMC-5618-W10 (Figura 3) o el interruptor SPDT de 20 vatios y 8-10.5 GHz terminado en PIN-diodo como el MA/Com MASW-010647-13950G, todas las piezas están pensadas para alcanzar los próximos estándares.

Figura 3: Debe destacarse la complejidad de las funciones sencillas como el diseño de chip de este amplificador de 20 GHz. El uso de chip activo y matrices pasivas para prototipos proporcionan diseños MCM densos y eficientes usando bloques de construcción conocidos.

También están disponibles algunas piezas poco comunes como el multiplicador de frecuencia 2 X para funcionamiento en 20-40 GHz. El dispositivo AMMC-6140-W10 con múltiples chips de Avago tiene impedancias de entrada y salida de 50 Ohmios y al mismo tiempo ofrece el doble de frecuencia lineal.

Otra opción interesante es la almohadilla de atenuación ATN3590-10 de Skyworks Solutions.

Estos atenuadores resistivos son ideales para guías de ondas coplanares o portadores de circuitos de microstrip. Disponibles con pasos de atenuación fija, estos pueden permitir ajustes de nivel de paso cuando se combinan con interruptores de RF reflexivos.

Resumen

Seguramente todos llegaremos a utilizar los chipsets integrados de los proveedores más importantes una vez que el protocolo y las características de conexión se conviertan en un estándar ampliamente aceptado. Las sucesivas generaciones ofrecerán pilas de software gratuito y harán que el diseño de radio sea una operación de cortar y pegar.

Sin embargo, para aquellos que abogan por las radios digitales, la miniaturización continúa siendo uno de los principales factores de impulso, especialmente para aplicaciones de alto crecimiento como las computadoras portátiles y los dispositivos periféricos.

Para obtener más información acerca de las partes discutidas en este artículo, utilice los vínculos proporcionados para acceder a las páginas de productos en el sitio web de DigiKey.

Referencias

1. Guías de diseño de placa de CI de Maxim
2. Nota de aplicación de front-end GPS de Maxim
3. Nota de aplicación de conectividad satelital de Maxim