利用2.4GHz WLAN前端模块实现多无线技术共存

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利用2.4GHz WLAN前端模块实现多无线技术共存

无线局域网 (WLAN) 技术现已成为了家用和工业用电器中移动计算及数据通信的必然标准。近来,这种技术更被用于无线互联网语音 (VoIP) 电话、多媒体分发 (multi-media distribution)、游戏以及监视系统等领域。将WLAN集成到手机里的需求正不断高涨,但手机同时还必须兼备游戏、PDA、数字相机、用于电邮和网络浏览的通用分组无线服务 (general packet radio services, GPRS)、全球定位系统 (global positioning system, GPS) 以及蓝牙 (Bluetooth) 应用等众多功能。表1列出了目前被集成到手持式设备中的各种无线服务和其工作频带。

未来的高端手机还得加入 5GHz 的UMTS 蜂窝无线技术,以实现语音和数据通信。最近冒起的无线 VoIP 服务为手机用户提供了另一种低成本的电话服务,在这种情况下,在具有 UMTS蜂窝能力的智能电话中集成 2.4GHz 的 WLAN功能看来是必然的趋势了。UMTS 接收带和 2.4GHz WLAN带之间的频带问题,为专为同步操作而开发的无线前端设计带来了艰巨的挑战。
 
架构

图1显示了适合嵌入于多无线技术蜂窝手机中之 WLAN无线技术的最优化架构。这种架构采用了单根天线的单刀双掷 (SPDT) T/R开关设计,简化了双天线分集开关 (diversity switch) 的结构,后者在手机中往往缺乏足够的距离来获得空间分集 (spatial diversity);而且天线的隔离度很低,无法满足多天线应用的需要。这个最优化架构的发射路径包括一个输入匹配滤波器、一个与片上调节器和功率检测器集成在一起的3阶SiGe功率放大器、一个集中式带通匹配滤波器、一个SPDT T/R开关,以及一个高抑制带通滤波器 (BPF)。其接收路径则包括相同的 BPF、一个T/R开关、一个带通匹配滤波器,以及一个平衡/不平衡变换器 (balun)。在某些应用中更需要一个低噪声放大器 (LNA),以确保接收路径的插损 (insertion loss)足够低,从而优化接收器的灵敏度,并提高 WLAN无线技术的总体覆盖范围。

图1:高抑制2.4GHz WLAN前端模块架构用于多标准与  UMTS 共存的手机

功率放大器

功率放大器 (power amplifier, PA) 的性能是满足前端模块规范的最关键因素。采用 SiGe BiCMOS 技术可以达到最高程度的 IC 集成,以实现所有有源功能,包括 RF 信号放大、功率检测、电源调节,以及真正的 CMOS 兼容开/关启动电路 (以满足快速设置 WLAN应用的严格信号时序要求)。此外,使用 BiCMOS 偏置电路还能够实现基于带隙的参考电压以及完全温度补偿的 PA 性能。要在很大的操作功率范围上满足 WLAN严格的线性度要求,并同时获得最高的效率,这两点对手机而言是至关重要的。一般来说,由于大多数 WLANPA在高峰均比 (peak-to-average ratio, PAR) 数字调制时,需要8 到 6 dB的功率回退 (back-off) 来实现低失真,因此它们的效率往往很低。而且,由高抑制 BPF和T/R 开关引起的后置功率放大器损耗也产生了额外的2.5 到3.5dB 损耗。因此,在最坏的情况下,线性电源需要额外的3.5dB功率回退来满足高达 2.17GHz 的抑制要求。这种 PA 输入输出匹配网络可以实现低噪声 50 欧姆匹配,故很容易能集成到无线前端模块中,并在PA输入端提供带通滤波,进一步提升噪声抑制的性能。
 
SPDT开关滤波器

这个 T/R 开关滤波器设计包含了一种新颖的开关架构,即使在天线严重失配的情况下也能提高隔离性能,同时实现紧凑的外形尺寸,把模块的总体尺寸减至最小。该开关加入了并联和串联 FET 器件,用于每一条路径上的开 (ON) 和关 (OFF) 状态。要提高隔离度,可以通过关状态串联FET;或通过此开关闲置路径上的 AC 接地并联 FET 来实现。利用这种开关设计,在 802.11b/g 频带上可以获得大于30dB 的 TX-RX 隔离度,而插损小于 0.7dB。在机械方面,这种开关可与高抑制带通滤波器集成在一起,后者专门提供UMTS 兼容手机操作所需之带外阻塞 (out of band blocking)。在我们的评估中,若接收路径的全相位抗失配能力为10:1,那么在54Mbps 及最大输出功率为15 dBm时,误差向量幅度 (EVM) 性能的下降可忽略不计。因此,闲置路径可以完全关断而不会影响到活动路径的性能。这种功能正是手持式设备所需的,因为它降低了电流消耗,有助节省电池能源。在同样的天线端失配情况下,隔离度仍大于 27dB,因此不但免受线性TX性能变化的影响,而且还可以通过片上监测器准确地进行电源设置;此外,即使在天线严重失配的情况下也不会对功率放大器造成损害。

图2:天线路径TX输入的小信号增益、匹配及反向隔离性能

Balun 变换器
 
 利用印制迹线和0201无源器件,可以实现集成了低通滤波器的2:1平衡/不平衡变换器 (balun)。该 balun 变换器为开关滤波器和接收输出分别提供50 欧姆和 100 欧姆的匹配。使用无源器件和印制迹线能显着提高成本和性能。利用这种电路,前端模块可获得 0.2dB 的幅度平衡度,平衡端之间的相位差小于 1 度。

性能

这个前端模块的性能如图2、3 及 4所示。由图2可见,总体增益为28dB,输入输出回损大于10dB。对紧密屏蔽式手机的稳定性非常关键的反向隔离在谐波频带范围内优于 -49dB。图3显示了在17dBm 的输出功率级下测得的噪声排放 。在 2.17Ghz 时,UMTS 接收频带和 WLAN通带相当靠近,此时的噪声功率大约为 -170dBm/Hz。考虑到天线或系统板耦合所引起的 15dB 泄漏路径损耗,这将使前端模块的噪声影响低于热噪声基底,并与手机 UMTS 接收器的同步操作兼容。即使利用1Mbps调制,在最大功率 +17dBm下的最差 WLAN谐波,距离美国联邦通信委员会 (FCC) 规定的 0dBi 天线 -41.2dBm/Mhz 的限值还有 5dB 的裕量。


图3:输出功率为17dBm时,前端模块的噪声排放测量值

图4所示为在17 dB电源范围时,采用 54Mbps 802.11g 信号调制所测得的模块线性关系。该线性度是在 15dBm功率级下小于3%的EVM,电流消耗为120mA。该性能包括了高抑制开关滤波器电路的 2.5 至 3.5dB后置功率放大器损耗。

在接收模式中,2GHz 以下测得的抑制大于 45dB;2.17GHz 以下大于30dB。带内 (in-band) 插损为3.5dB (进入一个平衡接收器);而回损则优于-16.5dB。在多无线技术同时操作期间,这些低带内损耗和高抑制性能完全保证了WLAN接收器的灵敏度。


图4:采用 54Mbps 802.11g 调制和  3.3V 电源时,测得的 EVM 和电流相对于前端模块输出功率的关系

总结

SiGe半导体公司开发了一种具有高线性度、低功耗、低带外噪声排放和高带外噪声抑制的2.4GHz WLAN前端模块,能够支持手机中多无线技术的共存。这些无线方式在高达 2.17GHz 的 UMTS  频带上操作。SiGe 半导体的模块集成了功率检测器和调节器,大大简化 WLAN无线技术的结构。紧凑的开关式滤波器设计,把模块的总体尺寸减至最小,从而使占位面积缩小到只有6 X 5 X 1.4mm。上述这些特性使集成收发器或基带/收发器芯片变得非常容易,为含 UMTS 频带的第三代多无线技术蜂窝手机建构了一个双或单封装的 2.4GHz WLAN无线结构。

表1:多无线技术手机中常见嵌入式无线应用的频带

手机服务选择

频带

蜂窝技术 (GSM, CDMA, GPRS)

824-894 MHz

880-960 MHz

1770-1880 MHz

1850-1990 MHz

UMTS (W-CDMA, CDMA 2000, 1XEV-DV, 1XEV-DO)

1920-1980 MHz

2110-2170 MHz

GPS

1.2GHz

1.5 到 1.6GHz

蓝牙

2.4GHz

Wi-Fi

2.412-2.4835GHz

4.9-5.9GHz

RFID

13.56MHz

FM 收音机

100MHz

DVB-H TV

1.6 到 1.7 GHz


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