原標題：如何在高性能射頻信號鏈中優化SWaP

　　從智能手機到筆記本電腦、平板電腦、可穿戴設備、無人機、接入點以及智能家居和支持物聯網 (IoT) 的設備，對高性能無線連接的需求不斷增加。對于這些設備的設計人員來說，一個關鍵的差異化因素是最終用戶體驗，這在很大程度上取決于無線信號的質量、吞吐量和可靠性，以及電池壽命。設備尺寸和重量也是重要的差異化因素，尤其是在可穿戴設備中。對于設計人員而言，優化這些參數需要仔細研究射頻 (RF) 信號鏈的各個方面，這對于專家和射頻新手來說都是一項艱巨的挑戰。

　　本文回顧了射頻信號鏈的各個部分，并描述了天線調諧器、射頻交叉開關、天線分集開關、低噪聲放大器 (LNA) 和低噪聲射頻晶體管如何為高性能解決方案做出貢獻，并探討了控制界面選項。然后介紹英飛凌的示例性組件，并展示它們如何支持高性能射頻設計 ，同時滿足日益苛刻的尺寸、重量和功率 (SWaP) 要求。最后通過比較緊湊型射頻解決方案的兩個小型無鉛封裝 (TSNP) 選項來結束。

　　天線要領

　　天線性能在當今的連接設備中至關重要。調諧可以使單個天線在多個頻帶中提供良好的性能，并有助于實現更緊湊、更高效的解決方案。設計人員可以在射頻信號鏈的天線調諧器部分使用開關，以最大限度地提高天線的功率傳輸，并根據特定應用要求優化性能(圖 1)。

　　圖 1：天線調諧開關用于調諧器部分以優化天線性能。(圖片來源：英飛凌)

　　射頻交叉開關

　　在許多應用中，天線調諧是確保最佳性能的必要條件，但不是充分條件。在這些情況下，可能需要不止一根天線?？梢栽谛盘栨溨刑砑右粋€ RF 交叉開關，以便通過增加發射功率或接收器靈敏度來選擇在給定情況下提供最佳性能的天線(圖 2)。射頻交叉開關需要提供高效和快速的切換以支持有用的天線交換，并且它們需要具有高隔離度、低插入損耗和產生低諧波以支持高效和可靠的系統運行。

　　圖 2：使用射頻交叉開關可以為上行鏈路或下行鏈路選擇性能最佳的天線。(圖片來源：英飛凌)

　　分集開關和 LNA

　　有時，切換到最好的天線仍然不足以支持所需的帶寬。發生這種情況時，會在 RF 信號鏈中添加一個稱為分集路徑的附加通道。天線分集提高了傳輸和接收的質量和可靠性。分集開關用于從 Wi-Fi 網絡設備到智能手機和平板電腦的一系列應用中。這些開關可用于補償信號接收中的多徑干擾。接收器監控輸入信號并根據相對信號強度在天線之間切換。與射頻交叉開關的情況一樣，分集開關需要具有高隔離度、低插入損耗并產生低諧波。

　　LNA 是射頻信號鏈的另一個關鍵部分(圖 3)。與天線管理的各種方法一樣，使用 LNA 可以提高接收質量并提高數據速率。LNA 具有固定增益或可用于微調性能的多個增益步長?；趩纹⒉呻娐?(MMIC) 技術的 LNA 傳統上是使用砷化鎵 (GaAs) 技術生產的。最近開發的硅鍺 (SiGe) LNA MMIC 可以以較低的成本支持所需的頻率。LNA 是高度緊湊的器件，可以很容易地集成到非常小的封裝中。此外，LNA MMIC 還具有集成的靜電放電 (ESD) 保護功能，

　　圖 3：使用分集開關和 LNA 有助于提高接收質量并提高數據速率。(圖片來源：英飛凌)

　　控制接口

　　天線調諧開關、交叉開關和分集開關通常需要與系統控制器的接口。在簡單的實現中，通常使用通用輸入/輸出 (GPIO) 接口。GPIO 是 IC 上未提交的軟件可控信號引腳，可根據需要進行編程以充當輸入或輸出，或兩者兼而有之。

　　對于更復雜的控制需求，一般采用移動工業處理器接口(MIPI)標準。MIPI 射頻前端 (RFFE) 控制接口經過優化，可用于高性能射頻信號鏈，以提供快速、半自動化和廣泛的控制功能。MIPI RFFE 每條總線最多可包含 19 個設備(最多 4 個領導設備和 15 個從設備)。它專為與 LNA、天線調諧器、開關、功率放大器和濾波器一起使用而設計。MIPI RFFE 可以促進射頻信號鏈的設計、配置和集成，并支持使用來自不同供應商的組件。

　　MIPI可控LNA

　　設計人員可以將英飛凌的BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 用于高性能射頻信號鏈。MIPI 接口可以控制 8 種增益模式和 11 種偏置模式，通過主動適應 RF 環境中不斷變化的條件來增加系統動態范圍(圖 4)。它設計用于 1.4 到 2.7 吉赫 (GHz) 之間的 3GPP 頻段(主要用于 B1、B3、n41 和 B21 頻段)。它可以在 5.8 毫安 (mA) 的電流下提供 0.6 分貝 (dB) 的噪聲系數和高達 20.2 dB 的增益。它在 1.1 至 2.0 伏的電源電壓下工作，并符合 JEDEC47/20/22 的工業應用標準。

　　圖 4：此 LNA 上的 MIPI 接口可以控制 8 種增益操作模式和 11 種偏置模式以優化性能。(圖片來源：英飛凌)

　　它具有多種功能，有助于滿足具有挑戰性的 SWaP 要求，包括：

　　尺寸：九針 TSNP-9 尺寸為 1.1 × 1.1 毫米 (mm)，其 0.375 毫米的高度使其非常適合空間受限的應用。

　　重量：TSNP-9 封裝經過優化，適用于需要輕量化的場合。

　　電源：BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA 的旁路電流僅為 2 微安 (μA)，從而延長了電池運行時間。

　　天線分集開關

　　英飛凌的BGS12WN6E6327XTSA1寬帶單刀雙擲 (SPDT) 分集開關具有 160 納秒 (ns) 的典型開關速度，以及集成控制邏輯(解碼器)和 ESD 保護(圖 5)。設計用于 Wi-Fi、藍牙和超寬帶射頻信號鏈，兩個端口中的任何一個都可以連接到分集天線并處理高達 26 dB(以 1 毫瓦 (dBm) 為基準)。它采用 MOS 技術制造并提供 GaAs 器件的性能，但無需在 RF 端口上使用外部隔直電容器，除非預計會施加外部直流電壓。

　　該芯片包括由單個 CMOS 或 TTL 兼容控制信號驅動的 CMOS 邏輯。它具有高達 9 GHz 的高端口間隔離和低插入損耗。為了減小尺寸和重量，該器件采用 PG-TSNP-6-10 封裝，尺寸為 0.7 × 1.1 mm，最大高度為 0.375 mm。它可以在高達 4.2 伏的電源電壓下運行，典型電源電流為 36 μA，控制電流為 2 納安 (nA)，最大限度地延長了電池供電設備的運行時間。

　　圖 5：BGS12WN6E6327XTSA1 SPDT 分集開關可以在 160 ns 內切換，并包括集成控制邏輯和 ESD 保護。(圖片來源：英飛凌)

　　射頻交叉開關

　　Infineon 的BGSX22G6U10E6327XTSA1 RF CMOS 交叉開關專為 GSM、WCDMA、LTE 和 5G 應用而設計。這種雙刀雙擲 (DPDT) 開關在高達 7.125 GHz 的頻率下具有低插入損耗、低諧波生成和射頻端口之間的高隔離度。其 1.3 微秒 (μs) 的切換時間支持 5G 探測參考信號 (SRS) 應用。它有一個 GPIO 控制接口，并在 1.6 至 3.6 伏的電源電壓下工作。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了優化。這種低功耗器件的典型電源電流為 25 μA，控制電流為 2 nA。

　　天線調諧開關

　　需要針對高達 7.125 GHz 的應用進行優化的單刀四擲 (SP4T) 天線調諧開關的設計可以使用英飛凌的BGSA14M2N10E6327XTSA1。四個 0.85 歐姆 (Ω) 導通電阻端口設計用于高 Q 調諧應用。MIPI RFEE 數字控制接口簡化了射頻信號鏈中的實現。其 45 伏的峰值電壓能力和關閉狀態下 160 飛法 (fF) 的低電容使其非常適合在射頻天線匹配電路中切換電感器和電容器，而不會產生明顯的損耗(圖 6)。1.3 × 0.95 mm、0.375 mm 高的 TSNP-10-9 封裝與 22 μA 的電流消耗相結合，使該器件能夠支持具有挑戰性的 SWaP 應用。

　　圖 6：BGSA14M2N10E6327XTSA1 可以高效地切換射頻天線匹配電路中的電感器和電容器。(圖片來源：英飛凌)

　　射頻晶體管

　　高性能射頻信號鏈始于收發器和射頻放大器部分。這需要射頻功率晶體管，例如英飛凌的BFP760H6327XTSA1寬帶 NPN 射頻異質結雙極晶體管 (HBT)，其特點是：

　　在 5.5 GHz、3 V、10 mA 時，最低噪聲系數 (NF min ) 低至 0.95 dB

　　在 5.5 GHz、3 V、30 mA 時，最大功率增益 (G ms ) 高達 16.5 dB

　　高線性度，在 5.5 GHz、3 伏、30 mA時輸出 (OIP 3 ) 為 27 dBm 的三階截點

　　該功率晶體管適用于工業應用。它設計用于無線和衛星通信系統、GPS 導航設備、移動多媒體設備和其他高性能射頻應用。

　　TSNP 封裝選項

　　小尺寸的 TSNP 封裝要求 PC 板上有穩定的幾何公差，并且應該使用非阻焊層定義 (NSMD) 焊盤設計。與阻焊劑相比，NSMD 的焊盤公差更低。對于 NSMD，PC 板上的走線應為 100 微米 (μm) 或更小。通常，用于僅底部 TSNP 的 PC 板焊盤(如上述 BGA9H1MN9E6329XTSA1 LNA、BGS12WN6E6327XTSA1 天線分集開關和 BGSA14M2N10E6327XTSA1 天線調諧開關所用)是通過轉移封裝焊盤輪廓并在封裝焊盤的側面增加 25 μm 來設計的墊。

　　設計人員需要注意，TSNP 焊盤的樣式不止一種。有標準焊盤，也有專為光學引線尖端檢測 (LTI) 設計的焊盤(圖 7)。LTI 器件需要更大的安裝面積，因為 PC 板焊盤需要超出封裝輪廓至少 400 μm(圖 7)。雖然 LTI 設計支持光學檢測，但它可能不適合需要盡可能小的解決方案尺寸的 SWaP 關鍵設計。

　　圖 7：使用標準焊盤(左)或針對光學 LTI 優化的更大焊盤(右)的 TSNP 封裝可用。(圖片來源：英飛凌)

　　結論

　　在指定一系列便攜式和可穿戴無線設備中的天線調諧器、RF 交叉開關、天線分集開關、LNA 和低噪聲 RF 晶體管時，SWaP 考慮因素非常重要。如圖所示，英飛凌為設計人員提供了一系列用于高性能射頻信號鏈應用的器件，這些應用也可以滿足苛刻的 SWaP 要求。使用這些器件，設計人員可以優化射頻信號鏈的可靠性和帶寬，并延長電池壽命。