Más pequeño es mejor: miniaturización RF - Parte 1

Con el fin de ofrecer cobertura en todo el mundo y satisfacer la demanda del mercado, los teléfonos inteligentes, tabletas y otros dispositivos móviles deben admitir más bandas de radiofrecuencia que nunca y con un número creciente de funciones inalámbricas. A pesar del hecho de que sus circuitos RF son cada vez más complejos, estos dispositivos deben ser tan compacto, si no más compacto, con cada nuevo modelo. Con esto en mente, los diseñadores son conscientes de que uno de los beneficios de una mayor frecuencia es que los componentes pueden ser más pequeños. En concreto, las antenas e inductores pueden reducirse a tamaños para el montaje en superficie y para placas de CI. Los circuitos integrados, también pueden contribuir y han contribuido a esta reducción ya que las geometrías de proceso permiten la integración de secciones RF completas, capaces de combinar a la perfección la funcionalidad digital con el ámbito analógico de modulación RF, la demodulación, la compatibilidad de antena y la propagación de la onda.

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 eficientes. En esta Parte 1 sobre instalación, observamos los últimos componentes pasivos que integran varios componentes discretos en versiones más pequeñas, para montaje en superficie, con lo que se ahorra espacio y costos y se mejora el rendimiento.

Estos componentes son útiles con modernos chips de enlace de transceptores de radio estándar altamente integrados que ya ofrecen soluciones de pequeño tamaño. Dado que estas normas establecidas están en su tercera o cuarta generación, los componentes pasivos integrados están muy optimizados e incluyen front-end en miniatura, filtros, balunes, así como diversas piezas que pueden servir de soluciones estándar como Wi-Fi , o protocolos de estándares múltiples como las combinaciones de Wi-Fi Bluetooth.

En la Parte 2, veremos los componentes activos, tales como los transistores RF, mezcladores, moduladores, amplificadores para la próxima generación de radios. Estas piezas de radio pueden ser útiles para la fabricación de prototipos y producción de enlaces de radio de función especial que están altamente estandarizados. Aquí, los módulos multichip de estilo SoC o las tarjetas portadoras pueden utilizarse para preservar impedancias y las características de la antena con mayor precisión. Cabe señalar que, si realmente tendrá lugar la fabricación de gran volumen, el silicio personalizado más integrado puede ser la mejor solución para reducir el costo y el tamaño hasta que los productores de CI sean capaces de ponerse al corriente. Incluso en este caso, los componentes que se mencionan aquí serán de gran utilidad. 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.

Hay que ser discreto

Si usted ha abordado proyectos de radio en el pasado, usted sabe que los componentes discretos y pasivos son una parte integral del diseño; desde la compatibilidad de la antena front-end hasta los mezcladores de estrecha tolerancia, los osciladores, transformadores, moduladores, filtros, interruptores, diplexores, y así sucesivamente. Si bien es cierto que muchas de estas funciones están disponibles como parte integral, esto puede no ser conveniente, especialmente durante el desarrollo. Por ejemplo, los filtros son siempre necesarios para discriminar las señales fuera de banda y atenuar las mismas a niveles muy bajos, manteniendo toda su potencia en las bandas de interés. Las clases de filtros discretos incluyen circuitos de parámetros compensados, dieléctricos y SAW (Tabla 1).

Tabla 1: Características del filtro monolítico.

Mientras que los filtros simples pueden ser realizados a partir de unas pocas y pequeñas resistencias, condensadores e inductores, se pueden lograr más niveles y polos utilizando estructuras más complejas.

Los CI no resultan los mejores filtros. El típico inductor Q que puede fabricarse con tecnología de proceso CMOS es inferior a 10. Con técnicas de metalización y cobre, este se puede duplicar a aproximadamente 20. El problema es que para reducir al mínimo la pérdida de inserción, se requieren valores de Q en valores de cientos. Actualmente, sólo los filtros discretos pueden lograr esto.

Los filtros se utilizan en toda la radio dentro y fuera de la barrera de silicio (Figura 1). Aquí, los filtros externos son necesarios en la compatibilidad de antena y rutas de señal para permitir recibir los datos que se desprenden y transmitir datos que deben pasar con poca o ninguna atenuación. Esto es especialmente importante cuando se utiliza una sola antena para transmitir y recibir, o se utiliza con más de un protocolo.

Figura 1: Los filtros son necesarios de manera amplia dentro y fuera de los transceptores RF. Un mejor rendimiento de los discretos externos permite que los filtros de banda base y de IF puedan compartir un paso común entre los diferentes protocolos y bandas.

Para ambos tipos de radio estándar "en uso hoy", así como la siguiente generación de radios, los bloques de filtro más pequeños e integrados como el bloque de chip único paso de banda de Johanson 2450BP07A0100T están muy optimizados, en este caso para la conexión inalámbrica de banda de 2.4 GHz.

Tenga en cuenta que se pueden lograr mejores compatibilidades de componentes con estos conjuntos monolíticos. Esto se debe a que es mucho más difícil hacer coincidir las características de los componentes con las piezas que se fabrican en diferentes etapas de la fabricación. Como resultado de ello, estas piezas combinadas pueden exhibir mayores tolerancias que las que se alcanzan fácilmente con componentes discretos.

En este caso, los factores de forma 0402 ofrecen a los anchos de banda 100 MHz una ajustada frecuencia central de 2.45 GHz con un área muy pequeña de 1 x 0.5 mm y una altura de 0.43 mm. Otro factor interesante de las piezas combinadas es que las orientaciones de los componentes a menudo pueden tomar ventaja de las pilas de 3-D para reducir el ruido y la interferencia entre las etapas.

Johanson ofrece un módulo de capacitación de productos que describe cómo los filtros integrados de chip único pueden ofrecer un mejor rendimiento, fiabilidad y consistencia a través del proceso de fabricación. Debe tenerse en cuenta que varias de estas piezas se pueden combinar para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, la adición del filtro de paso bajo DEA102500LT-6307A1de TDK puede ayudar a bloquear las frecuencias más altas de banda dual como los 5 GHz utilizados con las redes LAN inalámbricas de mayor frecuencia. Colocar los elementos de filtro en cascada es como agregar más polos a un filtro, y se puede mejorar el rendimiento. Sin embargo, también habrá atenuación de la señal por lo cual se puede necesitar un amplificador front-end más sensible, especialmente para las operaciones multibanda.

Utilizando el mismo punto de la antena que el filtro de 2.4 GHz de paso bajo y de paso de banda, podría colocarse un filtro de paso de banda de mayor frecuencia de 5 GHz, como el DEA105425BT-1293A1 de TDK. El kit de demostración y desarrollo de TDK, 445-7845-KIT, permite realizar experimentación a 900 MHz y 2.4 GHz y contiene varios filtros diplexores adaptados para protocolos comunes.

Ser parte de la banda

No es sólo un protocolo único que opera en una banda específica. Por ejemplo, en la banda ISM de 2.4 GHz, pueden coexistir varios protocolos, entre otros wifi, Bluetooth, ZigBee, W6LowPan, ANT+, GSM, y DECT. Si bien utilizan energía en el espectro, estos pueden usar diferentes técnicas de modulación y diferentes algoritmos de cambio de frecuencia. Como resultado de ello, es posible que desee elegir filtros que permitan diferentes características de banda ancha y velocidades de transmisión de datos.

Tomemos, por ejemplo, el filtro cerámico multicapa de Taiyo YudenFI105L250014-T, el cual está diseñado para ofrecer servicio W-Lan y Bluetooth. Del mismo modo, el dispositivo 1810BP07B200T de Johanson está pensado para las aplicaciones celulares GSM y CDMA Cuando una ruta de transmisión debe prestar servicios a varias bandas y protocolos interoperables, los filtros de modo común basados en inductor también pueden ser útiles para enrutar sólo señales deseadas a los filtros y demoduladores. Estos son cada vez más pequeños. Considere, por ejemplo, los Componentes Pasivos Integrados de Johanson Techonology o las series ACMF-03 y ACMF-04 de Abracon de filtros de película delgada aptos para un máximo de 6 GHz. La integración proporciona muy buenos rangos de temperatura (-55º C a +150º C), el dispositivo ACMF-03-350-T de Abracon con impedancias de 35 Ω, el ACMF-03-650-T de 65 Ω y el ACMF-04-900-T a 90 Ω. Tenga en cuenta que diferentes piezas de chip de diversos fabricantes pueden ser optimizadas para rutas de transmisión que no requieren 50 Ω. Además, se debe considerar las características de las piezas que se citan en los diseños de referencia.

Algunas funciones como GPS puede que no desee compartir las antenas y las huellas con otras bandas. Los electrónicos específicos de front-end pueden marcar la diferencia cuando se asocian a una débil señal de satélite. Esto permite ofrecer antenas específicas y la colocación independiente de antenas para obtener una recepción óptima. Los circuitos reducidos de factor de forma especializados para GPS también son cada vez más refinados. Se pueden observar, por ejemplo, los filtros SAW RF de Murata Electronics específicamente para los receptores de GPS.

Balunes

Similares a los filtros, pero con capacidad de funcionar como interfaz para transmisores de semiconductores a placa de CI y antenas SMT se encuentran los balunesque básicamente transforman las líneas de transmisión de terminación única en impulsores diferenciales para la antena. Las conexiones diferenciales son la clave para reducir al mínimo el ruido de modo común y pueden mejorar de manera significativa la calidad de la señal.

Los balunes pueden integrar una media docena de componentes discretos en una sola pieza de pequeño tamaño para montaje en superficie (Figura 2), y están disponibles para frecuencias estándar, así como en frecuencias de uso general. Coinciden con impedancias, tienen características de línea de transmisión, y pueden requerir antenas omnidireccionales muy específicas y materiales de placa de CI.

Figura 2: Los balunes monolíticos absorben varios componentes importantes, y en comparación con las soluciones discretas, ofrecen características más equilibradas de los componentes.

Ya que un balun conecta una ruta de transmisión directamente a la antena, también debe ser capaz de manejar los niveles de energía asociados con la energía el máxima permitida en la banda. Normalmente, un balun será capaz de manejar varios vatios de potencia.

Por ejemplo, observemos la serie 2450 de Johanson, el balun 2450BL15B100E para WIFI y Bluetooth. Comparte las mismas frecuencias del portador, pero pasa fácilmente tanto las técnicas de modulación para WIFI y Bluetooth y puede manejar hasta 3 W con impedancias de 50 o 100 Ω.

Para los enlaces de datos que requieren operaciones dúplex completas, las modernas unidades dúplex y diplexores puede permitir que una sección RF transmita mientras que el estado de recepción está recogiendo una señal diferente de la misma antena simultáneamente (Figura 3). Los componentes de Avago como la ACMD-7402-BLK encajan en un pequeño paquete SMT CSP 0402 de 3 clavijas o incluso un paquete 0402 como el paquete de película delgada de TDK TFSD10055950-5102A2 o el diplexor DPX165850DT-8017A1 de TDK para LAN inalámbricas de 2.4 y 5 GHz como los 802.11n.

Figura 3: Los filtros de paso de banda y de paso alto y bajo bien atenuados dentro de los duplexores monolíticos y diplexores hacen un trabajo bastante bueno de pasar sólo las frecuencias de interés mientras que atenúan el resto.

Juegos de tableros

Con el uso de las modernas y pequeñas bandas de frecuencia de longitud de onda, la antena de la placa de CI ha demostrado su eficacia a la hora de crear una antena transceptora de bajo costo y bastante fiable. Si bien son efectivos, muchos de esos diseños requieren antenas omnipresentes muy específicas y zonas de exclusión.

Como resultado de ello, las antenas externas han dejado su impronta, proporcionando una mayor flexibilidad en la colocación de la antena. Esto puede mejorar el rendimiento permitiendo ubicar puntos tranceptores más lejos del ruido de las líneas digitales, y aún permitir a los micrcocontroladores integrados seleccionar diferentes antenas basadas en información RSSI en tiempo real.

Varias antenas de superficie monolítica de buen rendimiento están disponibles a bajo costo para permitir esa flexibilidad, incluida la antena de TDK ANT016008LCD2442MA1 (Figura 4), que es una antena multicapa de cerámica de doble banda (2.4 y 5 GHz) de alta eficiencia empaquetada en un paquete de montaje en superficie de estilo 0603. Tiene una altura de sólo 0.4 mm, lo que la hace apta para los diseños ISM más compactos.

Figura 4: Las antenas cerámicas multicapas son tan pequeñas y compactas que a menudo ocupan menos espacio que un único componente pasivo discreto.

Otra interesante opción de antena es la unidad de montaje en ángulo que puede alejar la antena de los obstáculos que las soluciones de centro o borde único de montaje no pueden hacer.

Por ejemplo, la antena de Antenova A10464 tiene menos de 0.5 mm de altura y puede montarse en ángulo mediante una pequeña antena omnipresente en la placa de CI para aplicaciones GSM (Figura 5). Sobre todo en teléfonos móviles, el cabezal puede ser una fuente de interferencias. El montaje en ángulo permiten rutas más claras y más posibilidades de conexión de línea de visión directa con torres o satélites.

Figura 5: Las antenas de montaje en ángulo pueden proporcionar mejores características de línea de visión en las aplicaciones portátiles como los teléfonos donde la proximidad del cabezal puede atenuar las señales.

Resumen

Las radios estándar utilizadas en gran número se están reduciendo aún más para permitir una mayor integración con otros enlaces fijos e inalámbricos. Si bien los dispositivos altamente integrados pueden manejar la parte activa del diseño bastante bien para protocolos ya establecidas y compatibles, los componentes discretos y pasivos externos a menudo ofrecen mejores respuestas que las soluciones de chip en la optimización del rendimiento y costo. La parte 2 de esta serie estará dedicada a elementos discretos y formas de chip.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.