利用2.4GHz WLAN前端模塊實(shí)現(xiàn)多無線技術(shù)共存

無線局域網(wǎng) (WLAN) 技術(shù)現(xiàn)已成為了家用和工業(yè)用電器中移動(dòng)計(jì)算及數(shù)據(jù)通信的必然標(biāo)準(zhǔn)。近來，這種技術(shù)更被用于無線互聯(lián)網(wǎng)語(yǔ)音 (VoIP) 電話、多媒體分發(fā) (multi-media distribution)、游戲以及監(jiān)視系統(tǒng)等領(lǐng)域。將WLAN集成到手機(jī)里的需求正不斷高漲，但手機(jī)同時(shí)還必須兼?zhèn)溆螒?、PDA、數(shù)字相機(jī)、用于電郵和網(wǎng)絡(luò)瀏覽的通用分組無線服務(wù) (general packet radio services, GPRS)、全球定位系統(tǒng) (global positioning system, GPS) 以及藍(lán)牙 (Bluetooth) 應(yīng)用等眾多功能。表1列出了目前被集成到手持式設(shè)備中的各種無線服務(wù)和其工作頻帶。

未來的高端手機(jī)還得加入 5GHz 的UMTS 蜂窩無線技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。最近冒起的無線 VoIP 服務(wù)為手機(jī)用戶提供了另一種低成本的電話服務(wù)，在這種情況下，在具有 UMTS蜂窩能力的智能電話中集成 2.4GHz 的 WLAN功能看來是必然的趨勢(shì)了。UMTS 接收帶和 2.4GHz WLAN帶之間的頻帶問題，為專為同步操作而開發(fā)的無線前端設(shè)計(jì)帶來了艱巨的挑戰(zhàn)。
 
架構(gòu)

圖1顯示了適合嵌入于多無線技術(shù)蜂窩手機(jī)中之 WLAN無線技術(shù)的最優(yōu)化架構(gòu)。這種架構(gòu)采用了單根天線的單刀雙擲 (SPDT) T/R開關(guān)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了雙天線分集開關(guān) (diversity switch) 的結(jié)構(gòu)，后者在手機(jī)中往往缺乏足夠的距離來獲得空間分集 (spatial diversity)；而且天線的隔離度很低，無法滿足多天線應(yīng)用的需要。這個(gè)最優(yōu)化架構(gòu)的發(fā)射路徑包括一個(gè)輸入匹配濾波器、一個(gè)與片上調(diào)節(jié)器和功率檢測(cè)器集成在一起的3階SiGe功率放大器、一個(gè)集中式帶通匹配濾波器、一個(gè)SPDT T/R開關(guān)，以及一個(gè)高抑制帶通濾波器 (BPF)。其接收路徑則包括相同的 BPF、一個(gè)T/R開關(guān)、一個(gè)帶通匹配濾波器，以及一個(gè)平衡／不平衡變換器 (balun)。在某些應(yīng)用中更需要一個(gè)低噪聲放大器 (LNA)，以確保接收路徑的插損 (insertion loss)足夠低，從而優(yōu)化接收器的靈敏度，并提高 WLAN無線技術(shù)的總體覆蓋范圍。

圖1：高抑制2.4GHz WLAN前端模塊架構(gòu)用于多標(biāo)準(zhǔn)與  UMTS 共存的手機(jī)

功率放大器

功率放大器 (power amplifier, PA) 的性能是滿足前端模塊規(guī)范的最關(guān)鍵因素。采用 SiGe BiCMOS 技術(shù)可以達(dá)到最高程度的 IC 集成，以實(shí)現(xiàn)所有有源功能，包括 RF 信號(hào)放大、功率檢測(cè)、電源調(diào)節(jié)，以及真正的 CMOS 兼容開/關(guān)啟動(dòng)電路 (以滿足快速設(shè)置 WLAN應(yīng)用的嚴(yán)格信號(hào)時(shí)序要求)。此外，使用 BiCMOS 偏置電路還能夠?qū)崿F(xiàn)基于帶隙的參考電壓以及完全溫度補(bǔ)償?shù)?PA 性能。要在很大的操作功率范圍上滿足 WLAN嚴(yán)格的線性度要求，并同時(shí)獲得最高的效率，這兩點(diǎn)對(duì)手機(jī)而言是至關(guān)重要的。一般來說，由于大多數(shù) WLANPA在高峰均比 (peak-to-average ratio, PAR) 數(shù)字調(diào)制時(shí)，需要8 到 6 dB的功率回退 (back-off) 來實(shí)現(xiàn)低失真，因此它們的效率往往很低。而且，由高抑制 BPF和T/R 開關(guān)引起的后置功率放大器損耗也產(chǎn)生了額外的2.5 到3.5dB 損耗。因此，在最壞的情況下，線性電源需要額外的3.5dB功率回退來滿足高達(dá) 2.17GHz 的抑制要求。這種 PA 輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)低噪聲 50 歐姆匹配，故很容易能集成到無線前端模塊中，并在PA輸入端提供帶通濾波，進(jìn)一步提升噪聲抑制的性能。
 
SPDT開關(guān)濾波器

這個(gè) T/R 開關(guān)濾波器設(shè)計(jì)包含了一種新穎的開關(guān)架構(gòu)，即使在天線嚴(yán)重失配的情況下也能提高隔離性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)緊湊的外形尺寸，把模塊的總體尺寸減至最小。該開關(guān)加入了并聯(lián)和串聯(lián) FET 器件，用于每一條路徑上的開 (ON) 和關(guān) (OFF) 狀態(tài)。要提高隔離度，可以通過關(guān)狀態(tài)串聯(lián)FET；或通過此開關(guān)閑置路徑上的 AC 接地并聯(lián) FET 來實(shí)現(xiàn)。利用這種開關(guān)設(shè)計(jì)，在 802.11b/g 頻帶上可以獲得大于30dB 的 TX-RX 隔離度，而插損小于 0.7dB。在機(jī)械方面，這種開關(guān)可與高抑制帶通濾波器集成在一起，后者專門提供UMTS 兼容手機(jī)操作所需之帶外阻塞 (out of band blocking)。在我們的評(píng)估中，若接收路徑的全相位抗失配能力為10:1，那么在54Mbps 及最大輸出功率為15 dBm時(shí)，誤差向量幅度 (EVM) 性能的下降可忽略不計(jì)。因此，閑置路徑可以完全關(guān)斷而不會(huì)影響到活動(dòng)路徑的性能。這種功能正是手持式設(shè)備所需的，因?yàn)樗档土穗娏飨?，有助?jié)省電池能源。在同樣的天線端失配情況下，隔離度仍大于 27dB，因此不但免受線性TX性能變化的影響，而且還可以通過片上監(jiān)測(cè)器準(zhǔn)確地進(jìn)行電源設(shè)置；此外，即使在天線嚴(yán)重失配的情況下也不會(huì)對(duì)功率放大器造成損害。

圖2：天線路徑TX輸入的小信號(hào)增益、匹配及反向隔離性能

Balun 變換器
 
 利用印制跡線和0201無源器件，可以實(shí)現(xiàn)集成了低通濾波器的2:1平衡／不平衡變換器 (balun)。該 balun 變換器為開關(guān)濾波器和接收輸出分別提供50 歐姆和 100 歐姆的匹配。使用無源器件和印制跡線能顯著提高成本和性能。利用這種電路，前端模塊可獲得 0.2dB 的幅度平衡度，平衡端之間的相位差小于 1 度。

性能

這個(gè)前端模塊的性能如圖2、3 及 4所示。由圖2可見，總體增益為28dB，輸入輸出回?fù)p大于10dB。對(duì)緊密屏蔽式手機(jī)的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵的反向隔離在諧波頻帶范圍內(nèi)優(yōu)于 -49dB。圖3顯示了在17dBm 的輸出功率級(jí)下測(cè)得的噪聲排放 。在 2.17Ghz 時(shí)，UMTS 接收頻帶和 WLAN通帶相當(dāng)靠近，此時(shí)的噪聲功率大約為 -170dBm/Hz?？紤]到天線或系統(tǒng)板耦合所引起的 15dB 泄漏路徑損耗，這將使前端模塊的噪聲影響低于熱噪聲基底，并與手機(jī) UMTS 接收器的同步操作兼容。即使利用1Mbps調(diào)制，在最大功率 +17dBm下的最差 WLAN諧波，距離美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 規(guī)定的 0dBi 天線 -41.2dBm/Mhz 的限值還有 5dB 的裕量。

圖3：輸出功率為17dBm時(shí)，前端模塊的噪聲排放測(cè)量值

圖4所示為在17 dB電源范圍時(shí)，采用 54Mbps 802.11g 信號(hào)調(diào)制所測(cè)得的模塊線性關(guān)系。該線性度是在 15dBm功率級(jí)下小于3%的EVM，電流消耗為120mA。該性能包括了高抑制開關(guān)濾波器電路的 2.5 至 3.5dB后置功率放大器損耗。

在接收模式中，2GHz 以下測(cè)得的抑制大于 45dB；2.17GHz 以下大于30dB。帶內(nèi) (in-band) 插損為3.5dB (進(jìn)入一個(gè)平衡接收器)；而回?fù)p則優(yōu)于-16.5dB。在多無線技術(shù)同時(shí)操作期間，這些低帶內(nèi)損耗和高抑制性能完全保證了WLAN接收器的靈敏度。

圖4：采用 54Mbps 802.11g 調(diào)制和  3.3V 電源時(shí)，測(cè)得的 EVM 和電流相對(duì)于前端模塊輸出功率的關(guān)系

總結(jié)

SiGe半導(dǎo)體公司開發(fā)了一種具有高線性度、低功耗、低帶外噪聲排放和高帶外噪聲抑制的2.4GHz WLAN前端模塊，能夠支持手機(jī)中多無線技術(shù)的共存。這些無線方式在高達(dá) 2.17GHz 的 UMTS  頻帶上操作。SiGe 半導(dǎo)體的模塊集成了功率檢測(cè)器和調(diào)節(jié)器，大大簡(jiǎn)化 WLAN無線技術(shù)的結(jié)構(gòu)。緊湊的開關(guān)式濾波器設(shè)計(jì)，把模塊的總體尺寸減至最小，從而使占位面積縮小到只有6 X 5 X 1.4mm。上述這些特性使集成收發(fā)器或基帶／收發(fā)器芯片變得非常容易，為含 UMTS 頻帶的第三代多無線技術(shù)蜂窩手機(jī)建構(gòu)了一個(gè)雙或單封裝的 2.4GHz WLAN無線結(jié)構(gòu)。

表1：多無線技術(shù)手機(jī)中常見嵌入式無線應(yīng)用的頻帶