Piccolo è bello: miniaturizzazione RF - Parte 2

Questo articolo, il secondo di due parti, tratta della miniaturizzazione di alcuni componenti attivi ed elementi di sistemi chiave che permetterà ai progettisti di collegamenti wireless di ultima generazione di ideare radio e sottosistemi radio più piccoli e più efficienti. Prenderemo in esame componenti attivi di piccole dimensioni come transistor RF, mixer, modulatori e amplificatori e i dispositivi di formato die utili per prototipi in stile sistema su chip (SoC) e modulo multi-chip (MCM) e cicli iniziali di produzione.

La Parte 1 descrive gli ultimi componenti passivi di piccole dimensioni che hanno integrato diversi componenti discreti in versioni a montaggio superficiale a ingombro ridotto. Risparmiano spazio, abbassano i costi e migliorano le prestazioni e sono ampiamente disponibili per essere usati con i moderni chip ricetrasmettitore standard più diffusi per i collegamenti radio i cui progetti spesso appartengono alla terza o quarta generazione. Molti sono utilizzabili anche per progetti radio personalizzati di ultima generazione.

I componenti discreti attivi (o blocchi funzionali) sono rivolti a soluzioni radio di ultima generazione per Personal Area Network (PAN) e computer indossabili. Anche se funzionalmente non densi, questi componenti flessibili possono essere usati per proseguire la tendenza verso sistemi a frequenza più alta e a lunghezza d'onda più corta. Consentono ulteriori riduzioni delle dimensioni e possono usare livelli di potenza inferiori dato che il campo RF delle PAN è estremamente limitato in termini di spazio volumetrico.

Gli innovatori ansiosi di porsi alla guida invece che al traino progetteranno e realizzeranno i propri sistemi radio avanzati utilizzando i blocchi costitutivi attualmente disponibili. Questo articolo prenderà in esame alcuni di questi blocchi. Tutti i componenti, le schede dati, i progetti di riferimento e i kit di sviluppo che vengono citati in questo articolo sono reperibili online nel sito Web di DigiKey.

Ritorno al blocco di partenza

Quando si progettano radio di ultima generazione, servono in genere due livelli principali di prototipi. Il gruppo di sviluppo funzionale vorrà integrare i blocchi funzionali con accesso tra gli stadi per la misurazione e l'ottimizzazione. Questo può consentire di testare e adattare i valori per ottimizzare il trasferimento della potenza e mantenere l'integrità dei segnali stadio dopo stadio.

Anche se alcuni produttori di chip per ricetrasmettitori radio avanzati realizzeranno prodotti finiti come una MCM, il migliore ritorno sull'investimento si ha con i dispositivi monolitici. Come i dispositivi di seconda o terza generazione, il formato monolitico ridotto in genere è più vantaggioso economicamente e spesso più efficiente e performante, dato che sfrutta l'esperienza accumulata con le versioni precedenti.

Tuttavia, questa trasformazione in formato monolitico è, di fatto, un progetto nuovo. Le piste sulle PCB sono in genere caratterizzate per impedenze limitate e idoneità per le linee di trasmissione. Su un modulo multi-chip (MCM) o su un componente al silicio personalizzato, tutte le caratteristiche dovranno essere ridefinite utilizzando nuovi materiali e nuove dimensioni. Quindi, di fatto si tratta di un progetto nuovo dal punto di vista fisico.

È qui che i commutatori RF possono essere molto importanti nella prototipazione di una radio di ultima generazione. Fornendo l'accesso commutato ai nodi interni, i progettisti possono indirizzare il percorso dei segnali, testare o sintonizzare lo stadio. Si noti tuttavia che anche i commutatori vanno sintonizzati. Gli interruttori a contatto standard potrebbero non funzionare in RF. I segnali in alta frequenza usano la spaziatura tra i contatti (e anche quella dielettrica) come condensatori passanti. Servono pertanto commutatori RF (e connettori) speciali.

Diversi commutatori RF monolitici di buona qualità, di piccole dimensioni e formato die sono già pronti e disponibili sia per l'accesso interno alla prototipazione degli stadi che per progetti a più antenne e a percorso condiviso. Tenere presente che presentano limitazioni sia in bassa che in alta frequenza, come pure perdite di inserzione e diagrammi spettrali di isolamento della frequenza. Si noti anche che esistono varie tipologie per offrire una maggiore flessibilità del percorso dei segnali, specialmente in circostanze in cui una singola antenna può servire più frequenze, larghezze di banda e protocolli. Un multiplexer, ad esempio, richiede meno tracce di segnale dei commutatori discreti.

Esaminiamo il commutatore RF riflettente Peregrine 4259-63 in un contenitore compatto (SC70-6). Vanta 50 ohm da 10 MHz a 3 GHz ed è un commutatore RF SPDT per uso generale con perdite di inserzione minime dell'ordine di 0,5 dB. Una funzione utile è il controllo selezionabile a linea singola o doppia che permette operazioni non circuitanti precise.

Questo componente fa parte della serie UltraCMOS del fornitore che usa substrati in zaffiro per fornire prestazioni paragonabili alle tecnologie silicio-germanio o arseniuro di gallio più costose, mentre presenta anche una migliore gestione della potenza e tolleranza ESD. Fra i membri della famiglia vi sono commutatori RF, mixer e attenuatori.

È possibile usare anche tipi di commutatori ad assorbimento per commutazione reciprocamente esclusiva e a carico bilanciato. Ad esempio, il modulo RF3025TR7 SPDT a 50 ohm di RF Micro Devices vanta un intervallo molto ampio da 10 MHz a 6 GHz con una perdita di inserzione molto bassa di 1,1 dB (Figura 1). Tale perdita può scendere a 0,5 dB da frequenze al di sotto di 1 GHz, fornendo un percorso pulito per un ricevitore UHF, ad esempio, che condivide la stessa antenna.

Figura 1: I commutatori ad assorbimento possono presentare condizioni terminate o caricate non commutate e contribuire a mantenere impedenze omogenee del percorso dei segnali.

A seconda delle frequenze di interesse, le selezioni delle bande arrivano a funzionamenti fino a 86 MHz. Per soluzioni MCM e SoC, un commutatore RF die SPDT a 86 MHz di Hittite (ora parte di Analog Devices) può servire allo scopo. HMC-SDD112 vanta una buona frequenza di isolamento di 30 dB a 86 MHz e una perdita di inserzione abbastanza bassa di 2 dB. Anche se attualmente in uso per i radar moderni, con l'affermarsi di collegamenti a frequenza e velocità dei dati superiori, è inevitabile che diventino disponibili componenti aggiuntivi per altre applicazioni.

Assortimento

I mixer RF sono modulatori o demodulatori a 3 porte e possono essere attivi o passivi. Possono essere usati sia per la conversione verso l'alto (quando usati in un trasmettitore) che per quella verso il basso (quando usati in un ricevitore) (Figura 2). L'RF di ingresso è abbinato a un oscillatore locale per creare una frequenza intermedia che preserva i segnali di interesse in un misto di frequenza iniziale, frequenza dell'oscillatore locale e frequenze derivanti dalla somma e dalla differenza; possibilmente senza variazione di fase o attenuazione.

Figura 2: I mixer per la conversione verso l'alto (sinistra) e la conversione verso il basso (destra) in formato sia passivo che attivo offrono le funzioni di modulazione di base richieste nei progetti radio. I mixer attivi possono far parte di un prototipo avanzato che utilizza componenti attivi discreti e migrano su chip quando viene ideata una soluzione monolitica.

I mixer passivi presentano in genere una perdita, mentre quelli attivi possono presentare un guadagno. Mentre i passivi possono avere ampie larghezze di banda e buone caratteristiche di distorsione di intermodulazione, i mixer attivi possono essere meglio integrati in una soluzione a chip singolo e possono fornire sia un buon isolamento dei segnali che una minore sensibilità alla modulazione.

Analogamente ai commutatori, anche i mixer vengono selezionati per i loro campi di frequenza, perdite e caratteristiche di fase. Un esempio è il convertitore verso il basso MAX2682EUT+T di Maxim in un contenitore SOT23-6 compatto che può essere rivolto ai progetti affermati di comunicazioni ISM e cellulari oppure può implementare qualsiasi nuovo progetto radio tra 400 MHz e 2,5 GHz. Basato su un processo silicio-germanio, funziona bene per collegamenti condivisi GPS e ISM a 2,4 GHz. Maxim offre diverse Note applicative, inclusive di linee guida per il layout delle PCB¹, front-end GPS² e collegamenti di ricevitori satellitari³.

Esistono diverse scelte valide anche per le bande di 5 GHz, che possono condividere la connettività con quelle a 2,4 GHz per connessioni LAN wireless a velocità superiori, dual-band. Componenti come HMC557LC4TR di Hittite possono fungere sia da convertitore verso l'alto che da convertitore verso il basso in un progetto di ricetrasmettitore che si estende da 2,4 GHz a 7 GHz con un'ampia larghezza di banda IF da c.c. a 3 GHz.

Componenti per banda superiore tra 6 GHz e 10 GHz come HMC520LC4TR di Hittite sono utili per applicazioni di imaging come i rilevatori di cavi, viti e chiodi nelle pareti. Inoltre, per i computer indossabili di ultima generazione, HMC1081 gestirà le bande di 60 GHz con cui ora ci si diletta per le applicazioni PAN. Queste unità ultracompatte richiederanno delle soluzioni monolitiche, pertanto componenti die come HMC1081 sono ideali per l'uso negli MCM prototipo.

Transistor RF

Quando serve un driver esterno per fornire una maggiore potenza di uscita di quella che in genere è in grado di gestire un trasmettitore monolitico, è possibile usare transistor RF esterni. Questi componenti possono essere messi più vicino alle antenne effettive per migliorare l'efficienza e offrire una corrente di trasmissione maggiore. I transistor RF possono anche essere usati come commutatori di potenza per valori superiori per isolare le sezioni di ricezione sensibili mentre è in corso la trasmissione ad alta potenza.

Spesso, i driver di uscita usano transistor NPN e PNP dato che sono più resistenti dei FET (ma non sempre). I FET sono molto efficienti nell'offrire le resistenze ON più basse e, quindi, possono essere usati in modo più efficace nel percorso dei segnali. Questo può servire per indirizzare un percorso dei segnali, ad esempio verso un'altra antenna, oppure per attingere a una catena di segnali a scopo di tastatura. Come previsto, la selezione del transistor sarà fondamentalmente basata sulla frequenza e la tensione operative, ma anche una bassa RDSon, capacità di gestione della corrente e dimensioni sono fattori chiave.

I transistor possono essere usati in tutte le bande, inclusa la UHF, il che ha dei vantaggi quando la penetrazione dei segnali attraverso muri e strutture è importante. Componenti come NE68019-A di CEL supportano segnali inferiori a 2 GHz in un SOT 543 compatto a 3 pin e possono fornire una potenza di uscita maggiore di quella tipicamente disponibile all'interno di un chip radio monolitico.

È possibile utilizzare anche 2SC5084-O(TE85L,F) di Toshiba, che si dimostra idoneo fino a 7 GHz con 150 mW di capacità di gestione della potenza in uscita. Può gestire facilmente 5 GHz, per cui può essere usato con Wi-Fi dual-band ma anche con ZigBee, GSM, Bluetooth e altri protocolli a 2,4 GHz.

Componenti a frequenza più bassa, come 2SC2714-O(TE85L,F) da 50 ohm in entrata e uscita di Toshiba, possono essere usati per gli stadi in uscita FM come pure per la commutazione IF con mixer a frequenza superiore. Oscillatori IF selezionabili possono consentire agli stessi blocchi ricetrasmettitori di gestire larghezze di banda diverse. Tenere inoltre presente che possono essere usati anche array di transistor per risparmiare ancora più spazio, ma si potrebbe perdere il vantaggio di poter disporre i singoli elementi ovunque si desideri.

Prodotti die

Esiste un'ampia varietà di prodotti die per prototipi MCM o produzioni pilota. Con substrati ceramici a ricottura rapida, anche i dispositivi SMT passivi possono coesistere con dispositivi die-bonded. È inoltre possibile usare la tecnologia COB (chip on board) con configurazioni sovrapposte RF per incorporare antenne su scheda e/o su chip.

Le numerose funzioni discrete, come attenuatori, amplificatori, mixer e modulatori, offrono ampia libertà quando si struttura un nuovo progetto radio. Offrono inoltre il massimo livello di integrazione funzionale con il minor rischio, dato che ogni blocco funzionale è ben caratterizzato e funziona fin dall'inizio.

Che si tratti di un amplificatore a 3 stadi tra 6 e 20 GHz come AMMC-5618-W10 di Avago (Figura 3) o di un interruttore SPD terminato a diodo su PIN, da 20 W, 8-10,5 GHz come MASW-010647-13950G di MA/Com, non manca nulla per favorire la diffusione dei prossimi standard.

Figura 3: Notare la complessità di funzioni anche semplici come il layout del die di questo amplificatore a 20 GHz. L'uso di array passivi e die attivi per i prototipi offre progetti MCM densi ed efficienti utilizzando elementi costitutivi conosciuti.

Sono disponibili anche alcuni componenti insoliti come il moltiplicatore di frequenza 2X per il funzionamento a 20-40 GHz. AMMC-6140-W10 in die package di Avago ha un'impedenza in ingresso e in uscita di 50 ohm e duplica la frequenza lineare.

Un'altra opzione interessante è l'attenuatore pad ATN3590-10 di Skyworks Solutions.

Questi attenuatori resistivi fissi sono ideali per guide d'onda complanari o supporti di circuito a microstriscia. Disponibili con passi di attenuazione fissi, possono consentire regolazioni di livello graduato quando abbinati con commutatori RF riflettenti.

In sintesi

La maggior parte di noi userà chipset integrati dei fornitori principali una volta che un protocollo e le caratteristiche di collegamento diventano uno standard ampiamente accettato. Le generazioni successive forniranno stack software gratuiti e semplificheranno ulteriormente la progettazione radio.

Tuttavia, per coloro che spingono per radio digitale, la miniaturizzazione rimane uno dei fattori determinanti principali, soprattutto per applicazioni ad alta crescita come i computer e le periferiche indossabili.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.

Riferimenti

1. Linee guida sul layout delle PCB di Maxim 
2. Nota applicativa sul front-end GPS di Maxim 
3. Nota applicativa sulla connettività satellitare di Maxim