Piccolo è bello: miniaturizzazione RF - Parte 1

Per offrire una copertura mondiale e per far fronte alla domanda del mercato, smartphone, tablet e altri dispositivi mobili devono supportare più bande RF di sempre e fornire sempre maggiori funzioni wireless. Nonostante i loro circuiti RF diventino sempre più complessi, questi dispositivi devono restare compatti, quanto quelli precedenti e possibilmente ancora di più. Alla luce di tutto ciò, i progettisti si rendono conto che un beneficio delle frequenze più alte è quello di poter ridurre le dimensioni dei componenti. In particolare, le antenne e gli induttori possono essere ridimensionati abbastanza da essere montati superficialmente e relativamente alle dimensioni delle PCB. Anche i circuiti integrati possono contribuire, ed hanno contribuito, a questa ondata di miniaturizzazione dato che oggi le geometrie dei processi consentono l'integrazione di una sezione RF completa in grado di fondere armoniosamente le funzionalità digitali con il mondo analogico della modulazione e demodulazione RF, l'accordatura dell'antenna e la propagazione delle onde.

Questo articolo tratta della miniaturizzazione di alcuni componenti e sistemi chiave che permetterà ai futuri progettisti di collegamenti wireless di ultima generazione (benvenuto, Internet delle cose!) di ideare radio e sottosistemi radio più piccoli e più efficienti. In questa Parte 1, vediamo i più recenti componenti passivi che integrano molte componenti discrete in un unico circuito più piccolo, a montaggio superficiale, in grado di risparmiare spazio e costi e migliorare le prestazioni.

Tali componenti sono usati con i moderni chip ricetrasmettitori a collegamento radio standard, altamente integrati che offrono già soluzioni di dimensioni ridotte. Dato che questi standard consolidati sono alla loro terza o quarta generazione, i componenti passivi integrati sono altamente ottimizzati e includono front end, filtri, balun e altri componenti vari miniaturizzati che possono servire in soluzioni a standard singolo come Wi-Fi o in protocolli multistandard come la combinazione Wi-Fi Bluetooth.

Nella Parte 2, esamineremo i componenti attivi come i transistor RF, mixer, modulatori e amplificatori per le radio di ultima generazione. Questi componenti per le radio possono essere utili per la prototipazione e anche per la produzione dei collegamenti di radio con funzioni speciali che non sono molto standardizzati. In questo caso è possibile usare schede di supporto o moduli multichip tipo SoC per conservare in modo più preciso le impedenze e le caratteristiche di antenna. Va notato che quando si tratta di produrre in grossi volumi, la migliore soluzione può essere data da chip personalizzati e più integrati per ridurre costi e dimensioni fino a che i produttori di CI non avranno colmato la distanza. Anche in questo caso saranno utilizzati i componenti che tratteremo in questo articolo. Tutti i componenti, le schede dati, i tutorial e i kit di sviluppo che vengono citati sono disponibili online nel sito Web di DigiKey.

È sempre meglio essere... discreti

Se qualche volta avete affrontato un progetto di radio, sapete che i componenti discreti e passivi sono parte integrante del progetto: dall'accordatura dell'antenna front-end ai mixer con tolleranze strette, agli oscillatori, trasformatori, modulatori, filtri, interruttori, diplexer e altri ancora. Mentre molte di queste funzioni sono disponibili come componente integrato, a volte può non essere la soluzione desiderata, specialmente in fase di sviluppo. Ad esempio, i filtri sono sempre necessari per discriminare i segnali fuori banda e attenuarli a livelli bassissimi mantenendo invece la massima potenza nelle bande desiderate. Le classi di filtri discreti includono i tipi lumped LC, dielettrici e SAW (Tabella 1).

Tabella 1: Caratteristiche di filtri monolitici.

Mentre i filtri semplici possono essere realizzati con pochi resistori, condensatori e induttori molto piccoli, è possibile realizzare più stadi e poli utilizzando strutture più complesse.

I circuiti integrati non sono la soluzione per avere i filtri migliori. Il tipico Q dell'induttore che può essere fabbricato utilizzando la tecnologia di processo CMOS è inferiore a 10. Con rame e tecniche di metallizzazione è possibile arrivare a circa 20. Il problema è che per minimizzare la perdita di inserzione, sono necessari valori di Q dell'ordine delle centinaia. Attualmente, questi risultati sono alla portata solo dei filtri discreti.

I filtri sono utilizzati nelle radio dentro e fuori la barriera dei componenti in silicio (Figura 1). Qui sono necessari filtri esterni nell'accordatura dell'antenna e nel percorso del segnale per consentire lo stripping dei dati di ricezione e il passaggio dei dati di trasmissione con attenuazione scarsa o nulla Ciò è particolarmente importante quando si usa un'antenna per trasmettere e ricevere o se viene usata con più di un protocollo.

Figura 1: I filtri sono ampiamente utilizzati dentro e fuori i ricetrasmettitori RF. Le migliori prestazioni dei componenti discreti esterni consentono ai filtri interni IF e banda base di condividere un percorso comune tra vari protocolli e bande.

Sia per gli standard attualmente in uso nelle radio attuali che nelle radio del futuro, i blocchi di filtro integrati più piccoli come i filtri passa banda in chip singolo 2450BP07A0100T di Johanson sono ottimizzati, in questo caso per la banda Wi-Fi 2,4 GHz.

Da notare che con questi gruppi monolitici è possibile ottenere un migliore abbinamento dei componenti. Ciò perché è molto più difficile abbinare le caratteristiche dei componenti con parti che vengono fabbricate in cicli di produzione diversi. Come risultato, questi componenti combinati possono avere tolleranze superiori rispetto a componenti discreti facilmente ottenibili.

In questo caso, il fattore di forma 0402 offre una larghezza di banda di 100 MHz con una frequenza centrale ristretta a 2,45 GHz su un'area molto contenuta di 1 x 0,5 mm e altezza di 0,43 mm. Un altro fattore interessante dei componenti combinati è che l'orientamento dei componenti può spesso avvantaggiarsi di configurazioni sovrapposte 3-D per ridurre il rumore e le interferenze tra gli stadi.

Johanson offre un modulo didattico per l'uso dei prodotti che descrive come i filtri integrati su singolo chip possono offrire prestazioni migliori, affidabilità e omogeneità in tutto il processo di produzione. Tenere presente che è anche possibile abbinare più componenti di questi per migliorare le prestazioni. Ad esempio, l'aggiunta del filtro passa basso DEA102500LT-6307A1 di TDK può aiutare a bloccare le frequenze più alte in dual-band come i 5 GHz usati con le LAN wireless a frequenze maggiori. Mettere i filtri in cascata è come aggiungere più poli a un filtro, il che può migliorare le prestazioni. In tal caso però si avrebbe anche l'attenuazione del segnale per cui potrebbe essere necessario un amplificatore front-end più sensibile, in particolare per operazioni multibanda.

Sfruttando la stessa antenna del filtro passa banda-passa basso a 2,4 GHz potrebbe essere un filtro passa banda a frequenza più alta per 5 GHz, come DEA105425BT-1293A1 di TDK. Un kit di sviluppo/demo offerto da TDK, 445-7845-KIT, consente di fare esperimenti a 900 MHz e 2,4 GHz; contiene inoltre diversi diplexer e filtri idonei per i protocolli più comuni.

Suonare nella... banda

In una specifica banda non vi è un solo protocollo. Ad esempio, nella banda ISM a 2,4 GHz, potrebbero dover coesistere Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, W6LowPan, ANT+, GSM, DECT e molti altri protocolli. Oltre a occupare energia nello spettro, questi protocolli possono usare diverse tecniche di modulazione e diversi algoritmi di frequency-hopping. Di conseguenza, si vorranno scegliere filtri che consentono caratteristiche di banda diverse, come ampiezze e velocità dei dati.

Si prenda, ad esempio, il filtro ceramico multistrato FI105L250014-T di Taiyo Yuden, studiato per servire W-Lan e Bluetooth. Analogamente, 1810BP07B200T di Johanson è mirato ad applicazioni per cellulari GSM e CDMA. Quando un percorso di trasmissione deve servire protocolli e bande interoperabili, è anche possibile usare filtri di modo comune basati su induttore per instradare solo i segnali desiderati ai filtri e ai demodulatori. Stanno anche diventando più piccoli. Si consideri ad esempio Integrated Passive Components di Johanson Technology o le serie ACMF-03 e ACMF-04 di Abracon di filtri a film sottile efficienti fino a 6 GHz. L'integrazione fornisce intervalli di temperatura ottimi (da -55 a +150 ºC) con impedenza di 35  per ACMF-03-350-T, di 65  per ACMF-03-650-T e di 90  per ACMF-04-900-T di Abracon. Si noti che i componenti dei vari produttori di chip possono essere ottimizzati per percorsi di trasmissione non a 50 . Notare anche le caratteristiche dei componenti che indicano nei loro progetti di riferimento.

Alcune funzioni come GPS potrebbero non voler condividere antenne e piste con altre bande. L'elettronica front-end molto specifica può fare la differenza quando si aggancia a un segnale satellitare debole. Questo permette di usare antenne specifiche e di posizionarle in modo indipendente per ottimizzare la ricezione. Anche circuiti ridotti con fattore di forma speciale per GPS stanno diventando più raffinati. Si guardi, ad esempio, ai filtri RF SAW di Murata Electronics, specifici per i ricevitori GPS.

Balun

Analoghi ai filtri ma destinati a interfacciare i trasmettitori a semiconduttore con PCB e antenne SMT sono i balun che, fondamentalmente, trasformano linee di trasmissione a terminazione singola in circuiti di comando differenziale per l'antenna. Le connessioni differenziali sono cruciali per ridurre al minimo il rumore di modo comune e possono migliorare in modo significativo la qualità del segnale.

I balun possono integrare fino a sei componenti discreti in un singolo componente di piccole dimensioni a montaggio superficiale (Figura 2) e sono disponibili per frequenze sia standard che per fini generici. Si abbinano alle impedenze, hanno caratteristiche delle linee di trasmissione e possono richiedere materiali molto specifici per il piano di massa e la PCB.

Figura 2: I balun monolitici assorbono diversi componenti critici e, rispetto alle soluzioni discrete, vantano un abbinamento meglio bilanciato dei componenti.

Dato che un balun interfaccia un percorso di trasmissione direttamente con l'antenna, deve anche poter gestire i livelli di potenza associati con l'energia massima consentita in quella banda. In genere, un balun sarà in grado di gestire diversi watt di potenza.

Si prenda ad esempio il balun 2450BL15B100E della serie 2450 di Johanson per Wi-Fi e Bluetooth. Condivide le stesse frequenze portanti, ma supera facilmente entrambe le tecniche di modulazione per Wi-Fi e Bluetooth e può gestire fino a 3 W con impedenze di 50 o 100 .

Per collegamenti dati che richiedono operazioni full-duplex, i moderni duplexer e diplexer possono lasciare che una sezione RF trasmetta mentre contemporaneamente lo stadio di ricezione prende un diverso segnale dalla stessa antenna (Figura 3). Componenti come ACMD-7402-BLK di Avago rientrano in un piccolo contenitore SMT CSP a 3 pin o anche un contenitore 0402 come il TDK a film sottile TFSD10055950-5102A2 o il diplexer DPX165850DT-8017A1 di TDK per LAN wireless a 2,4 e 5 GHz come 802.11n.

Figura 3: Filtri passa banda, passa basso e passa alto, ben attenuati all'interno di duplexer e diplexer monolitici svolgono un lavoro piuttosto buono nel loro compito di far passare solo le frequenze di interesse e attenuare il resto.

Giochi su... scheda

Dato l'uso delle moderne bande di frequenza a lunghezza d'onda ridotta, l'antenna su PCB ha dimostrato la propria efficacia creando un'antenna di ricezione-trasmissione a basso costo e discretamente affidabile. Anche se sono efficaci, molti progetti di questo tipo richiedono antenne a piano di massa alquanto specifiche e aree interdette.

Di conseguenza, sono entrate in gioco le antenne esterne che offrono più flessibilità di posizionamento. Questo può migliorare le prestazioni consentendo di posizionare punti di ricezione-trasmissione più lontano da linee digitali rumorose e lasciare anche che siano i microcontroller embedded a scegliere tra le diverse antenne sulla base di informazioni RSSI in tempo reale.

Per rendere possibile questa flessibilità sono prontamente disponibili diverse antenne monolitiche a montaggio superficiale dalle buone prestazioni e dai costi contenuti, incluso ANT016008LCD2442MA1 di TDK (Figura 4), che è un'antenna ceramica multistrato dual-band (2,4 e 5 GHz) ad alta efficienza in un contenitore a montaggio superficiale tipo 0603. Ha un'altezza di soli 0,4 mm, che la rende più che adeguata per la maggior parte dei progetti ISM compatti.

Figura 4: Le antenne ceramiche multistrato sono così piccole e compatte che spesso occupano meno spazio di un singolo componente passivo discreto.

Un'altra opzione di antenna interessante è l'unità a montaggio ad angolo che, diversamente dalle soluzioni a montaggio centrale o su un solo bordo, può permettere di posizionare l'antenna lontano da ostacoli.

Ad esempio, A10464 Antenova ha un'altezza inferiore a 0,5 mm e può essere montata ad angolo utilizzando un piccolo piano di massa sulla PCB per le applicazioni GSM (Figura 5). Specie nei palmari, la testa può essere una fonte di interferenze. I montaggi ad angolo permettono percorsi più chiari e maggiori possibilità di collegamento LOS (linea visuale libera) con torri e satelliti.

Figura 5: Le antenne montate ad angolo possono fornire caratteristiche LOS migliori in applicazioni portatili come i telefoni in cui la stretta vicinanza con la testa può attenuare i segnali.

In sintesi

Le radio standard usate in grandi quantità si fanno sempre più piccole per consentire una maggiore integrazione con altri collegamenti via cavo e wireless. Anche se dispositivi altamente integrati gestiscono abbastanza bene le parti attive del progetto per i protocolli già affermati e supportati, i componenti discreti e passivi esterni spesso svolgono un lavoro migliore delle soluzioni su chip nell'ottimizzare prestazioni e costi. La Parte 2 di questa serie tratterà degli elementi radio attivi in formato discreto e die.

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