無線技術(shù)的未來：RF即插即用解決方案

1、無線技術(shù)的未來：rf即插即用解決方案無線通信的未來發(fā)展將會是從技術(shù)演進(jìn)成為資源，就象我們n常生活屮的水和電一樣。不過, 要達(dá)到這一h標(biāo)，業(yè)界必須克服移動設(shè)備中一些重大的設(shè)計挑戰(zhàn)，其中許多都將獲益于半導(dǎo) 體技術(shù)的進(jìn)步。今天的消費移動設(shè)備可包含多達(dá)9個rf鏈路，而工程師們身負(fù)滿足下一代 產(chǎn)品在尺寸、功率和標(biāo)準(zhǔn)共存方而要求的重任。我們關(guān)注的重點往往是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，以及推動實現(xiàn)普適性(ubiquitous)無線網(wǎng)絡(luò) 會是哪一種技術(shù)(edge還是1xrtt? lte還是wimax?基于衛(wèi)星還是基丁哋而？單載 波還是多載波？)，但事實上，對無線通信的未來而言，消費設(shè)備本身為消費設(shè)備運(yùn)行其上 的網(wǎng)絡(luò)都

2、同樣重要。無線通信的未來取決于無線能力(最關(guān)鍵的是rf技術(shù))如何無縫地集 成在各種設(shè)備、車輛、工具及我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域中。此外，下一代設(shè)計必須能夠跟上 不斷變化的使川模式。例如，以往沒冇人能預(yù)測到短信的爆炸性增長，而rf和系統(tǒng)級芯 片(soc)能力與功耗問題的人幅改進(jìn)為人們帶來了更豐富的移動互聯(lián)網(wǎng)訪問體驗。口前， 許多人都在密切關(guān)注手機(jī)增加定位服務(wù)-事，為此，移動設(shè)備需要能夠處理所有這些不同信 號鏈路的rf電路。所需的創(chuàng)新性過去，電了行業(yè)把無線通信功能無縫地集成在h常電了設(shè)備的嘗試和努力多是鐮羽而歸，真 到最近情況才改變過來。rf信號處理技術(shù)常被形容為“電子的黑色藝術(shù)”，一直以來都是 業(yè)界

3、從基于電路板的分立式紐件轉(zhuǎn)向ic子系統(tǒng)發(fā)展的主要障礙。過去10年間，關(guān)于“通 信的未來”的討論常常是指較新穎的rf物理層架構(gòu)的創(chuàng)新技術(shù)，例如“軟件定義無線 電”和“極化調(diào)制”(polar modulation),這些都是從根本上對rf信號處理方案進(jìn)行重 新設(shè)計，代表著實現(xiàn)無線普及的最佳途徑。然而，商用無線通信的未來并不在j：新穎的架構(gòu)，血是取決丁我們在如何使用現(xiàn)有半導(dǎo)體制 造技術(shù)上獲得重耍的進(jìn)展。如果微處理器行業(yè)能夠給rf行業(yè)提供什么經(jīng)驗教訓(xùn)的話，那就 是，只要做得好，系統(tǒng)級功能集成可以實現(xiàn)更低的功耗、更高的功能和更小的組件占位面積。 無線服務(wù)的用八體驗取決丁粘件的性能，而器件的性能則取決于r

4、f物理層的質(zhì)量。無線 通信的未來取決于rf物理層集成度的創(chuàng)新，能否達(dá)到在1970年代運(yùn)算放大器的規(guī)模一 具有高可靠、對重復(fù)的性能、標(biāo)準(zhǔn)化接口、用丿'5j編程功能性，以及易丁制造的特點。借鑒 軟件業(yè)的經(jīng)驗，要實現(xiàn)真正的無線普適性，需要一種“即插即用” (plug and play)的rf 物理層。集成的機(jī)會影響無線通信未來的一個主要因素是業(yè)界正逐漸轉(zhuǎn)川多載波正交頻分復(fù)川(ofdm)調(diào)制 方式，期望從緊張的全球頻譜資源中獲得更大的帶寬。所有的下一代無線設(shè)備都將基于 ofdm,包括那些用于lte于機(jī)、wimax和wlan系統(tǒng)的設(shè)備。ofdm最大的特點是 具有很高的峰均功率比(peak to

5、average power ratio),而這推動了對更高效rf功率放人 器(power amplifier, pa)的需求。信號處理質(zhì)量、功耗和發(fā)射功率/接收器靈敏度之間的和耳關(guān)系，1大i rf物理層ofdm信 號處理的要求而變得十分復(fù)雜。不過，除了這些內(nèi)在挑戰(zhàn)之外，向ofdm的轉(zhuǎn)換也帶來了 開發(fā)融合式多模rf物理層功能性的機(jī)會。由于大帶寬無線內(nèi)容被發(fā)送給各種各樣的消費 平臺，故系統(tǒng)設(shè)計人員需要rf物理層具有“運(yùn)算放大器般”質(zhì)量，這意味著rf物理 層將需要有針対特殊要求進(jìn)行優(yōu)化的能力，以及針對各種變化多端的工作條件進(jìn)行自我補(bǔ)償 的能力。正如在內(nèi)容處理級別上的情況一樣，rf的運(yùn)算放人器集成模式

6、也需要眾多產(chǎn)晶和技術(shù)合作 伙伴之間的協(xié)作。這種協(xié)作必然有助于激發(fā)創(chuàng)新，提舟無線體驗。因為gps硬件解決方案 相刈地較易于整合到手機(jī)平臺，所以導(dǎo)航功能被迅速引入成為手機(jī)應(yīng)用。隨著gps成為手 機(jī)不可或缺的-部分，應(yīng)用和操作系統(tǒng)將能夠更好地把導(dǎo)航和其它定位服務(wù)集成在于機(jī)屮。例如，如果手機(jī)能夠支持更人的帶寬，google地圖的下載速度就可快得足以在汽車行使中 提供實時信息，而同時仍舒有足夠的功率撥打通話(見圖1)。與運(yùn)算放人器同等水平的rf 物理層集成，將能夠?qū)崿F(xiàn)這些必須的協(xié)作，繼續(xù)把無線服務(wù)集成在全范圍的日?；顒又小５?我們應(yīng)如何實現(xiàn)之？rf即插即用解決方案事實i:, rf “即插即川”的概念已逐

7、漸成為現(xiàn)實。譬如，在手機(jī)中集成定位服務(wù)是業(yè)界近 10年的迫切口標(biāo)。盡管cdma手機(jī)打從-開始就集成了 gps基帶信號處理功能，但接收 器的高靈敏度要求(約160dbm)和于機(jī)信號的近頻高功率十?dāng)_，為實現(xiàn)金功能定位消費服 務(wù)的小占位ifli積、低功率gps解決方案帶來了很人的障礙。不過，這一局面已隨著能夠q 蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存的高性能、低功耗集成式rf物理層gps接收器的問世而全然改觀(見圖2)。 這些器件的推出已成為在手機(jī)平臺中快速集成gps導(dǎo)航服務(wù)的催化劑。手持設(shè)備對wlan功能性的需求促成了 wlan、fm無線電、gps和藍(lán)牙技術(shù)在肛個數(shù) 字信號處理平臺上的融合?，F(xiàn)在已有在單個封裝屮集成了功放、

8、低噪放人器（lna）、rf開 關(guān)和濾波功能的多功能rf前端模塊，町創(chuàng)建多模rf信號處理解決力案。這種更高程度 的集成化和模塊化因硅緒（sige）等半導(dǎo)體技術(shù)而成為可能，而硅錯技術(shù)更使單芯片的模式 可編程rf前端具有以顯示屏為屮心的纖薄型設(shè)備（如蘋果iphone®于機(jī)）所需的rf性 能、低功耗和小外形尺寸等優(yōu)勢。rf即插即川集成化的最終結(jié)果將是一人批豐富的無線連 接應(yīng)用，如通過gps顯示位置的帶有路標(biāo)的車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)、采用fm無線電數(shù)據(jù)系統(tǒng) （rds）的木地交通使用分析（經(jīng)由藍(lán)牙與汽車咅頻系統(tǒng)相連接），以及通過wlan上傳咅 頻和視頻娛樂的功能。rf物理層從“黑色藝術(shù)”到功能性模塊的演變

9、，其核心在于rf信號處理設(shè)計從“以 器件為屮心”發(fā)展為“以功能為屮心”。當(dāng)今的技術(shù)進(jìn)步推動了在單一系統(tǒng)內(nèi)加入多個無 線電裝置，支持多發(fā)射/接收鏈路和頻帶的發(fā)展趨勢。其結(jié)果是，如果沒有rf物理層功能 性集成方浙的不斷創(chuàng)新，無線連接解決方案的尺寸和功耗都將會過人。隨著無線連接功能被 集成在移動手機(jī)中，這種發(fā)展趨勢的主要推動力將來自于手機(jī)這個每年銷量超過12億部 的龐人市場。最終，移動設(shè)備和手機(jī)市場的推動力量也將推動無線連接行業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前, 這種力量是電池壽命、功率控制和更薄更小的封裝。rf挑戰(zhàn)rf前端般都帶冇大量表而安裝組件。但現(xiàn)在，兒年前的i:口個組件已降至區(qū)區(qū)數(shù)個。例 如，過去幾年間，rf功

10、率放大器的外形尺寸大幅縮?。ㄒ妶D4）,血積也以每年二分z以 上的速度縮小，最新的pa尺寸僅4平方毫米。集成度的提高讓無線rf得以在打印機(jī)、相 機(jī)和于機(jī)等消費電了產(chǎn)乩屮廣泛運(yùn)川。但這種程度的集成度是不夠的，業(yè)界真正需要的是一 個完整的、經(jīng)過預(yù)測試的、即插即川型的rf功能性模塊，能夠方便高效地插入到母板上。然而，在rf設(shè)計中，單片式集成需要謹(jǐn)慎考慮性能利功耗之間的權(quán)衡。為了平衡這些問 題，許多最新的無線設(shè)計都在采用rf系統(tǒng)級封裝（system in package, sip）技術(shù)，把針對 不同rf前端功能性的最佳處理技術(shù)都整合在一起，以優(yōu)化系統(tǒng)性能，并將其置于單個封 裝中。sip設(shè)計通常在低成本、

11、高性能和功耗方血都具有最佳平衡。此外，sip結(jié)構(gòu)中的rf 前端都是簡單的50歐姆輸入輸出匹配，便于系統(tǒng)集成。最優(yōu)化構(gòu)建模塊 在sip設(shè)計中，每一個模塊都進(jìn)行了性價比優(yōu)化(見圖5)。通過創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建模塊，sip設(shè) 計人員能夠為特定的應(yīng)用或客戶迅速定制設(shè)計。sip還能提供層壓基板的優(yōu)勢，便于布線 和在封裝內(nèi)包含表面女裝組件。這種基板還允許設(shè)計人員做一些小改動和調(diào)整，更好地針對 每-個客八和每一類大規(guī)模定制來優(yōu)化性能。通過開發(fā)預(yù)驗證rf構(gòu)建模塊，sip設(shè)計人 員能夠把它們整合在不同的模塊屮，只需一般ic流片三分之一到四分之一的時間即可完成 一個經(jīng)過驗證的設(shè)計。例如，圖5顯示了 一個川于802.11

12、a/b/g/n設(shè)計的雙鏈路rf前端模塊(front end module, fem),其中設(shè)計人員能夠為毎個模塊選擇種&用技術(shù)，以優(yōu)化性能，例如5ghz pa是 gaas hbt；雙頻帶lna和開關(guān)是gaas hemt；濾波器只采用無源紐件實現(xiàn)；而2.4ghz pa 和邏輯電路以bicmos集成。在這類應(yīng)川中，sip方案允許在單個封裝中混合多項技術(shù)， 讓系統(tǒng)設(shè)計人員能夠選擇最好的技術(shù)，然后進(jìn)行模塊集成，在短時間內(nèi)提供客戶所需的所右 功能。其優(yōu)勢是在單個封裝中集成了 rf前端功能性，而該前端可以很方便地加插入設(shè)計 中，從而增加無線功能。當(dāng)前可用的技術(shù)在sip設(shè)計屮使用層壓基板雖然有許多好

13、處，但卻會影響到封裝高度、裝配復(fù)雜性以及成 本，因此封裝和裝配已逐漸成為越來越亜要的研究領(lǐng)域。個最新趨勢是釆用多芯片qfn。 圖6顯示了一個多芯片3x3qfn,其高度不到0.5 mm,止好滿足手機(jī)所需。這種創(chuàng)新性的 封裝還包含了大量穿過芯片的過孔，這對減小尺寸和所需downbond數(shù)目是至關(guān)重要的。在最新最先進(jìn)的智能電話中，rf信號鏈路的板上占用血積高達(dá)18平方毫米。在圖7中，rf 鏈路即是被點線所包圍的面積，注意變壓器和激活功能也需要很人的山位ifli積。手機(jī)中 wlan功能的增加止在推動一項需求的增長，即把所有這些組件集成在3x3mm封裝中。為了滿足這種需求，-些設(shè)計人員采用gaas來實現(xiàn)

14、功率放人，很好地集成了 pa與lna及 開關(guān)。不過，這吐多功能rfic最近才開始推出，而晶圓代工對計劃采用這些技術(shù)的無廠 rf設(shè)計公司的支持尚不成熟。triquint半導(dǎo)體公司最近發(fā)農(nóng)了具有這種集成度的前端 gaasrfico但由于該產(chǎn)品是采川gaas實現(xiàn)的，所以器件仍然需要加入以硅技術(shù)實現(xiàn)的 外部濾波和控制電路。此外，這些設(shè)計是基丁-晶體管的，故不能集成基于cmos的控制邏 輯。這樣來，把rf功能性捉高到新的集成水平就需要采用bicmos來處理額外增加的控制 邏輯。因此，把sige雙極型rf性能與sige cmos偏置控制功能集成在單個小占位面 積的集成電路上，就成為了移動消費電子設(shè)備中多媒

15、體服務(wù)無線連接快速增長的主要促進(jìn)力 量。例如，sige半導(dǎo)體公司正在開發(fā)的下一代前端模塊(fem)就集成了多個功放、lna、 功率檢測器、一個t/r開關(guān)、多個濾波器、雙工器和相關(guān)匹配電路(見圖8)。這類模塊可以 直接使用電池工作，免除gaas rfic所需的外部變壓器。在這種先進(jìn)的集成過程屮，共存濾波也是極為重要的。為確保工作順利，藍(lán)才、wimax、 fm無線電、wi-fi. nfc以及gps服務(wù)所需的rf信號鏈路不能相互干擾。其中最讓人 擔(dān)心的是wi-fi和cdma,因為這兩者彼此非?？拷誓K和rfic設(shè)計人員需要特 別關(guān)注濾波問題。當(dāng)邏輯電路對在模塊/芯片中實現(xiàn)時，就町以使用對編程濾波

16、器緩解共存 問題，而且每個功能都能被粘心優(yōu)化。這種可編程能力將可實現(xiàn)更嚴(yán)格的牛產(chǎn)控制，為 oem提供更穩(wěn)定一致的產(chǎn)品。有些 sige bicmos 產(chǎn)品還采用了倒裝芯片級封裝(flip-chip chip scale packaging, csp)o 由于裝配成木低，人部分無線連接模塊，包括收發(fā)器和rf前端，都傾向于倒裝芯片架構(gòu)。 而口，倒裝芯片csp可提供占位血積最小、高度最低的解決方案，非常適合于便攜式無線 應(yīng)用。bicmos的另個優(yōu)勢是，目前有不少成熟的晶圓代工服務(wù)可用于人批量低成木最產(chǎn)制造, 而且全球各大晶圓代工廠商在bicmos方而都有明確的發(fā)展藍(lán)圖。未來發(fā)展隨著業(yè)界向bicmos集

17、成的趨勢發(fā)展，未來rf信號鏈路可能出現(xiàn)串行接口，這將讓設(shè)計 人員能夠在線把pair新配置為功率控制環(huán)路的一部分，以滿足新興多頻帶、多標(biāo)準(zhǔn)無線設(shè) 計的要求。例如，如杲你希望wi-fi的工作功率很低，就對以根據(jù)本地功率級的要求利用 串行接口亜新配置pa。|=|前，這述得通過功率創(chuàng)退來實現(xiàn)，對效率有不良影響，不過，再 不久你將可以優(yōu)化效率了，對下一代ofdm設(shè)計來說，這是特別重要的。對設(shè)計人員而言，bicmos技術(shù)節(jié)點和預(yù)驗證標(biāo)準(zhǔn)模塊的集成也有了一個明確的發(fā)展藍(lán)圖。 因此，利用bicmos,工程師們不必再為疋制功能而設(shè)計晶體管，而是采用授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)功 能知識產(chǎn)權(quán)（ip）模塊，或在公司內(nèi)部的開發(fā)部門z間交換使用，從而計公司得以把有限的 設(shè)計資源集中在支持開戶利加快上市速度上。大多數(shù)設(shè)計人員都承認(rèn)硅cmos的優(yōu)點，而其中許多人把sige視為邊向硅工藝的中途技 術(shù)?？偟膩碚f，只有 bicmos技術(shù)在單個制造工藝