在競爭激烈的GSM電話終端市場上，終端制造商開始期待可以加快開發(fā)速度和縮短開發(fā)周期的解決方案。由于越來越多功能豐富的新型手機開始集成百萬像素數(shù)字相機、藍牙技術和多媒體功能，設計者開始尋找尺寸更小和集成度更高的發(fā)射和接收RF模塊，它們能夠在提供卓越性能水平的同時占用更小的板空間。
為了能夠讓更多的設計師快速完成這些日益復雜的新型手機終端的設計與開發(fā)，元器件解決方案供應商在如何去滿足一些存在固有矛盾的設計要求方面面臨著挑戰(zhàn)。為了滿足這些市場需求，RF Micro Devices(RFMD)公司的設計人員開發(fā)出了RF7115發(fā)射模塊(TxM)。
這種發(fā)射模塊使得GSM射頻前端向?qū)崿F(xiàn)全面集成又前進了一步。作為該應用市場的一家主要元件供應商，我們見證了分立式射頻前端解決方案的設計復雜性，這一復雜性常常導致GSM手機制造商無法順利地進入量產(chǎn)階段。這一體驗促使我們開發(fā)出了一種嵌入功率放大器(PA)裸片和匹配電路的模塊，并稱之為功率放大器模塊(PAM)。在此基礎上，我們又進一步在PAM中嵌入了集成的功率控制，它可以替代復雜且敏感的控制環(huán)路，這一環(huán)路的設計目的是使PA輸出能夠很好地轉(zhuǎn)換成GMSK突發(fā)模板(burst template)。
在GMSK模式，為了滿足ETSI規(guī)定的時序規(guī)范或限制，PA有突發(fā)時序要求。一個突發(fā)模板簡單來說就是TxM模塊控制信號的建議或?qū)崿F(xiàn)時序，它用來確保在一個發(fā)射突發(fā)脈沖的上升和下降階段，所有的ETSI限制都能得到滿足。這一革命性技術進步可把電話平臺的開發(fā)時間縮短1/4。
TxM的好處
除了尺寸減小和元件數(shù)量減少等顯而易見的優(yōu)點之外，同分立實現(xiàn)方案相比，TxM還在哪些方面確實給設計者帶來了好處呢?
降低Tx和Rx路徑上的插入損失
一般來說，發(fā)射模塊通過集成任意數(shù)目的開關配置和內(nèi)部架構來實現(xiàn)天線開關功能。常見的TxM模塊架構包含兩個Tx路徑開關和3或4個Rx路徑開關，并通過一個公共節(jié)點連接到天線。典型的配置采用SPXT或級聯(lián)設計。
盡管早期的開關模塊絕大部分采用PIN二極管實現(xiàn)，但較新的設計都利用定制pHEMT開關設計來實現(xiàn)類似的或更好的性能。在各種開關設計方案中，基于pHEMT的設計的一個切實好處是降低了通過開關的插入損失(IL)。
通過對pHEMT開關的引腳和諧波匹配濾波器進行精心的設計，可以把在Tx信號路徑上的插入損失降到最小。通過盡可能地降低插入損失，PA輸出功率可以更高效地傳送到天線。這在TxM中是可以做到的，因為設計者對PA輸出匹配和對匹配/網(wǎng)格(filet)及pHEMT輸入的控制有充分的了解。與目前的PAM和ASM(天線開關模塊)組合方案相比，這可給設計師帶來某種程度的靈活性。這是可能的，因為TxM設計師已經(jīng)不再被限制在50歐姆的輸出環(huán)境中。他可以選擇合適的阻抗來同放大器的輸出進行匹配(典型值為2-4歐姆)，并把它直接同一個pHEMT開關相匹配。這意味著只使用了一個匹配網(wǎng)絡，因而可減少損失(見圖1)。
插入損失之所以能減小，是因為你無需再執(zhí)行將PA輸出端和ASM輸入端的阻抗轉(zhuǎn)換到50歐姆的任務。這可減少高達0.5dB的發(fā)射鏈損失，從而可為GSM模式節(jié)省150mA，為PCS/DCS模式節(jié)省90mA。
類似地，接收路徑(Rx)內(nèi)部匹配拓撲也得益于50歐姆轉(zhuǎn)換的消除，在TxM的Rx側可以得到同樣的好處。Rx插入損失的降低提高了Rx靈敏度。
改善諧波性能
隨著上市時間的重要性不斷提高，設計復用已成為開發(fā)者所面臨的一個共同課題，這導致了越來越多的手機開發(fā)平臺的出現(xiàn)。我們已經(jīng)看到，這一基于平臺的開發(fā)趨勢已越來越明顯，未來許多手機設計都將采用射頻收發(fā)器和PA+ASM的組合解決方案。但當把這個“知名”的平臺應用于不同形狀因子的設計時卻遇到了很多困難。尤其是，蛤殼、糖棒和滑蓋形手機形狀因子都造成了天線與射頻modem之間的不匹配和PCB性能的變化。因此，在一個形狀因子下工作良好的平臺與在另一個形狀因子下的表現(xiàn)可能有很大差別，這通常會造成整體性能的下降。在這些情況下，天線差別通常是肇事元兇。
射頻平臺設計師可以得益于擁有一個緊密控制的PA輸出、諧波濾波器和開關接口。TxM向設計師提供了一個受控的環(huán)境，從而設計師可以優(yōu)化從PA發(fā)出的諧波。這也使得該射頻設計變成了一個真正可以適應各種形狀因子的平臺，TxM所包含的性能可以通過由制造商制訂的電?規(guī)范得到保證。這一點對典型的PA+ASM平臺設計來說是完全做不到的。
TxM是以解決大多數(shù)手機設計者面臨的一個設計困難而開發(fā)的。而且，即便在手機設計師完成了一個魯棒設計之后，對精密匹配的任何修改都可能嚴重改變阻抗并影響在天線上所測到的諧波水平。通過保持這一接口的完整性，TxM設計師有更大的機會在極限條件下，甚至在不匹配的條件下來抑制諧波。例如，對TxM設計來說，通常可以實現(xiàn)在所有極限條件下以低于-35dBm的諧波水平達到4:1的VSWR(電壓駐波比)(見圖2)。這產(chǎn)生了一個非常魯棒的解決方案，而且可以在許多不同的形狀因子考慮因素下使用。
靈活的收發(fā)器信號路由
如前面所提到的，最新的TxM在設計中使用了pHEMT開關。在天線開關部分，使用pHEMT開關的優(yōu)點源于可以把Rx端口設置成路由所要求的任何方式。pHEMT輸入頻率響應是寬帶的，事實上，它允許把任何端口指定為高波段或低波段。這使得可以獨立于任何特定的收發(fā)器來單獨使用GSM TxM。我們預測，這一點在ODM環(huán)境中特別有用，因為ODM通常會基于基帶的選擇保留2到3種不同的收發(fā)器配置，但對于PA，一般僅會從主要的批量供應商中選擇一家。
傳送WCDMA信號的潛力
對新興的多模應用特別方便的一個特性是，TxM模塊可以指定一個未使用的端口作為獨立的WCDMA Tx/Rx信號的通過端口。在當今這個向多模應用轉(zhuǎn)換的時刻，市場上經(jīng)常產(chǎn)生對利用獨立的WCDMA和GSM/GRPS射頻鏈路的快速捆綁式解決方案的需要。在一個GSM/GPRS TxM中利用一個未用端口來進行開關控制的能力消除了對一個獨立ASM和??持WCDMA射頻鏈匹配元件的需要。這一方案既可節(jié)省成本，又可減小尺寸，而這兩者對這個新興市場來說都是非常重要的。
RFMD公司已經(jīng)在WCDMA頻率和功率水平上測試和表征了這種pHEMT開關端口的線性度和互調(diào)功能。其結果表明，將Rx端口之一用作WCDMA通道是可行的。表征包括互調(diào)測量、插入損失、ACP降級、諧波生成和pHEMT開關產(chǎn)生的熱量。
TxM模塊的其它特性包括：易用性、內(nèi)置8KV ESD保護電路、以及減少的外接元件數(shù)量。TxM模塊可同時提供改進的性能和易用性，這兩者在手機設計中常常不能同時得到滿足。其中可在大多數(shù)商業(yè)TxM模塊中發(fā)現(xiàn)的“易用”特性之一是設在天線端口的集成型ESD保護。它包含一個用來抑制由于modem元件損壞而產(chǎn)生的任何高壓短時脈沖的板上感容電路。這是一個非常有用的功能，因為在Rx路徑上的大多數(shù)SAW濾波器對ESD暫態(tài)電壓的保護能力是非常令人懷疑的。此外，這些ESD濾波器完全符合IEC 61000-4-2的8KV接觸放電要求。
TxM模塊除允許設計師實現(xiàn)更高水平的性能之外，它所需要的外接元件數(shù)量也減少了，這一點也是非常重要的。作為未來發(fā)展趨勢的一部分，新一代的集成模塊繼續(xù)面臨著減少實現(xiàn)射頻解決方案所需要的外部元件數(shù)量的挑戰(zhàn)。
TxM模塊也面臨著同樣的挑戰(zhàn)，事實上，TxM模塊特別將這些集成度需求作為其存在的一個基本前提。TxM模塊不僅減少了外部元件的數(shù)量，而且還消除了對靈敏的內(nèi)部元件匹配電路的需要。同相同功能的其它實現(xiàn)方案相比，TxM模塊可以幫助設計師減小總的版圖尺寸。典型的數(shù)字表明，與競爭性PA+ASM解決方案相比，可以減少30%到50%的版圖面積。
縮短電話平臺開發(fā)時間
TxM模塊是一種非常魯棒的解決方案，這可直接歸因于使用了內(nèi)部匹配電路。其真正的好處是可以降低開發(fā)成本。此外，TxM解決方案將極大地縮短開發(fā)時間和上市時間。
在一個應用中實現(xiàn)一個TxM主要是一個驗證性能的問題，而不是設計和微調(diào)靈敏RF電路的問題，但對于傳統(tǒng)的PA+ASM解決方案來說后者是一個主要問題。電話平臺開發(fā)時間的減少對手機的快速上市能力有重大影響。為了在這個極具競爭性的手機市場上占有一定的地位，上市時間已經(jīng)被視為衡量手機制造商能力的最高尺度。
真正的“防竄改”解決方案
當使用TxM來開發(fā)一個平臺時，我們還可以清楚地看到因TxM模塊的魯棒性和性能一致性所帶來的另外一個好處。由于TxM模塊的集成度非常高，因此當移植到各種其它形狀因子的平臺時，因交換元件而造成性能下降的機會很小。很穩(wěn)定的參考設計有時不得不在現(xiàn)場進行調(diào)整，有時這情況還很普遍，因為手機制造商有時會突然選用與最初打算不同的PA/ASM組合。
制造商的動機通常很有道理，因為選用其它元件可能帶來吸引人的成本節(jié)省和供貨方面的好處。不足之處是常常需要付出更多的工程努力來修補一個本來已經(jīng)獲得FTA認證的系統(tǒng)。對參考設計供應商和PA供應商來說，??持這么多制造變量可能是困難的和昂貴的，因為它可能代表著你必須付出很多的隱性成本。因此，采用可防“竄改”的解決方案可以保持更多的利益，而TxM模塊是實現(xiàn)這一目標的一個新興的關鍵元件。
本文結論
作為全球最大的手機功率放大器供應商，RFMD公司將繼續(xù)同客戶一起優(yōu)化PA+ASM組合解決方案，并開發(fā)出系統(tǒng)實現(xiàn)所需的所有細節(jié)。這個經(jīng)驗已經(jīng)證明，在縮短開發(fā)時間、減小電路板版圖面積和減少供應鏈管理需要的同時，即使與最好和最優(yōu)的設計相比，TxM模塊仍然代表更高的總體性能。
此外，隨著對多功能設備的需求不斷增長，為了能夠在相同的形狀因子中容納更多的功能，手機正在要求更小的射頻解決方案。我們清楚地看到，要滿足這些多功能設備的集成要求，TxM模塊將變成不可缺少的基本器件。在理解了該器件所包含的所有這些好處之后，我們明確期望TxM模塊能夠成為我們在2005年發(fā)貨量的一個重要部分，并希望在2006年對這類產(chǎn)品的需求會有大幅度提高。
通過RF3178的批量發(fā)貨，RFMD公司已經(jīng)在發(fā)射模塊市場上確立了我們的地位。該元件是我們的Polaris 2方案(一個基于EDGE的Polar調(diào)制方案)的一個關鍵元件。RF3178是作為我們的Polaris 2收發(fā)器的配套產(chǎn)品為實現(xiàn)Polar調(diào)制而設計的，具有尺寸小、整體性能高的特點。另外，RFMD公司很快將推出面向GSM/GPRS市場的派生產(chǎn)品RF7115。RF7115將以四波段和雙波段兩種款式供貨，專門面向GSM和GPRS這兩個大批量成熟市場。
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